A3 - CICLI BIOCHIMICI
2.1 A, B, C FOTOSINTESI

 OBIETTIVI
Evidenziare l’importanza della misurabilità dei processi biologici ai fini della conoscenza scientifica oggettiva (determinismo).
Riconoscere l’importanza del processo fotosintetico per il ciclo del carbonio ( C)
Riconoscere la relazione tra il flusso di CO2 e la fotosintesi e i principali cicli della fase oscura:

• C3 Calvin
• C4 Hatch e Slack
• CAM Crassulacean Acid Metabolism

Individuare la relazione esistente tra fotosintesi e radiazione luminosa in piante a ciclo C3, C4, CAM.
Misurare la variazione di concentrazione della CO₂ in un sistema chiuso (metodo del transiente) per la misura dei flussi.
Gestire le misure con sensori di CO₂, temperatura e intensità luminosa collegati ad un sistema di acquisizione.
Analizzare i dati di concentrazione e di flusso a partire da tabelle e grafici e riconoscere informazioni dall’analisi di strumenti rappresentativi.

Alternative sperimentali
Eseguire le raccolte dati all’aperto: alla luce solare, in ombra, in giornate nuvolose ecc.
Eseguire le raccolte dati utilizzando filtri colorati.
Introdurre contemporaneamente piante C3 e C4 in coltura idroponica e lasciarvele per alcuni giorni
Eseguire anche esperimenti con elodea 

Materiale necessario e figura
Per la costruzione della camera di campionamento a pianta intera                                                         

Per la costruzione della camera di campionamento fogliare                                                           

Per l’esecuzione dell’esperimento

1. Sistema di acquisizione dati (CBL, PASCO)

2. Sensore per l’intensità luminosa (0 -150.000 lux)

3. Sensore per la CO₂

4. Sensore per la temperatura

5. Camera per il campionamento

6. Faro da 2000W o faretti fotografici

7. Filtri

8. Fogli di alluminio

9. Nastro adesivo

10. Phon

11. Bacinella trasparente contenente acqua (utilizzata come filtro)

Piante C₃ : pisello, fagiolo, cetriolo, zucchina, potus, soia. topinambur

ATTIVITA’ B

Piante C₄ : mais, sorgo, miglio

Piante CAM: crassulacee

Principio della misura
I dati raccolti misurano un transiente : variazione della concentrazione di anidride carbonica nel tempo in un sistema chiuso.

Assemblaggio

_{Fase di prelaboratorio}
assemblaggio delle camere di campionamento : è necessario montare le camere di campionamento fogliari o a pianta intera. Nelle scatole per camera fogliare (scatolette per contenere chiodi) si praticano tre fori nella parte inferiore (solo se contemporaneamente si esegue anche l’esperimento della traspirazione), in uno delle superfici laterali minori si eseguono i fori per l’introduzione del sensore di CO₂ e per il sensore di temperatura. Nei fori si introducono i passacavi delle dimensioni opportune in modo da garantire l’isolamento della camera. Il sensore di CO₂ richiede un flusso di aria costante quindi bisogna introdurre anche un ventilatore CPU (fissato alla parte superiore della scatola)che viene collegato ad un alimentatore; Se si utilizza una camera fogliare bisogna mettere sul margine superiore delle due scatole che compongono la camera una guaina di neoprene. Se si costruisce la camera a pianta intera invece bisogna fissare i rosoni in alluminio alle barre filettate e fissarli con dei dadi e quindi chiudere il cilindro così delineato con un foglio in polipropilene nella parte superiore e laterale e con un sacchetto di plastica aperto nella parte inferiore per poter introdurre la pianta. Sulla superficie laterale, prima di chiudere la parte superiore ed inferiore del cilindro si deve inserire il rosone di alluminio di diametro inferiore a cui è collegato un sacchetto di plastica aperto per poter introdurre i sensori.
L’attività richiede l’utilizzo di abilità manuali e attenzione perché non ci siano perdite che comprometterebbero la raccolta dati.

Assemblaggio per l'esecuzione dell'esperimento e attività preliminari

1. Si inseriscono i sensori nella camera di campionamento (negli appositi fori) e si collegano al sistema di acquisizione .
2. Si esegue la misura del volume della camera di campionamento (litri) e si misura la superficie fogliare della pianta utilizzata nell’esperimento (può essere effettuata anche alla fine della raccolta dati) con le apposite tabelle (m²) o altri sistemi di integrazione (carta millimetrata).
3. Si esegue quindi il setup dei sensori e si determinano la frequenza del campionamento e il tempo di acquisizione dati.
4. Può essere necessario predeterminare le condizioni di radiazione prescelte (curva di attenuazione della radiazione mediante filtri).

1. Inserire i campioni nella camera escludendo vaso e terreno
2. introdurre i sensori
3. chiudere la camera
4. iniziare l’acquisizione dati con il sistema di acquisizione prescelto
5. effettuare il campionamento per quattro minuti (con il sistema CBL occorrono circa 100 s in più che corrispondono al tempo di riscaldamento del sensore di CO₂ )
6. effettuare tutte le raccolte dati previste

Dati campione
Non è stato possibile acquisire dei dati campione in numero sufficiente per effettuare l’elaborazione dei dati prevista dalla scheda (solo una o due serie di dati campione per ogni raccolta dati).
L’elaborazione è stata eseguita solo come esercitazione. I risultati ottenuti permettono comunque di evidenziare un aumento del flusso di CO₂ all’aumentare dell’intensità luminosa.
Si riportano di seguito alcuni esempi di elaborazione

Analisi dei dati

La formula per il calcolo del flusso di CO₂ in un sistema chiuso è la seguente:

F_CO2 = [ [ (CO_{2 f} - CO_{2 i} )/(t_f - t_i )^. n / sf ] mmol m^-2 s^-1

dove

F_CO2 = Flusso di anidride carbonica (mmol m^-2 s^-1 )

CO_{2 f} = concentrazione di anidride carbonica finale (mmol mol^-1)

CO_{2 i} = concentrazione di anidride carbonica iniziale (mmol mol^-1)

t_f = tempo finale (s)

t_i = tempo iniziale (s)

n = moli di aria (mol)

sf = superficie fogliare (m²)

I dati raccolti misurano un transiente : una variazione di concentrazione nel tempo.
Al fine di migliorare l’accuratezza nella stima del transiente è possibile eseguire una regressione lineare la cui pendenza (coefficiente angolare )

d(CO2) / dt ( mmol mol^-1 s^-1 ) approssima

(CO_2f-CO_2i)/(t_f - t_i )^.

A questo punto è possibile calcolare il flusso di CO₂:

F_CO2 = (d ( CO₂) /dt ^. n / sf ) mmol m^-2 s^-1

Si ripete l’analisi per tutte le misure effettuate e quindi si procede alla realizzazione del grafico flusso/radiazione.

Elaborazione dati
Disponendo solo di due serie di dati campione per ogni raccolta dati, l’elaborazione è stata eseguita solo come esercitazione e confrontata con i dati campione forniti dalle schede.

Prima serie di dati

Seconda serie di dati

Dati campione

Analisi grafica 

in blu la prima serie di dati serie
in rosa la seconda serie di dati
in rosso la serie di dati campione

Discussione dei risultati
I risultati ottenuti permettono comunque di evidenziare un aumento del flusso di CO₂ all’aumentare dell’intensità luminosa.

Considerazioni conclusive sui risultati e sul piano didattico
Non tutti i partecipanti erano in grado di gestire il sistema di acquisizione dati.
L’esperimento risulta interessante ma complesso.
Si sono registrati problemi con i sensori (due sensori di CO₂ non hanno funzionato)
Esiste una notevole differenza tra attività sperimentali in fisica e in biologia.
Nell’esecuzione di esperimenti di biologia esistono fattori di difficile controllo (fattori di stress della pianta).
Alcune perplessità sono sorte per l’inserimento di questa attività nel biennio a causa del fatto che l’analisi dei dati ottenuti richiede conoscenze non del tutto in possesso degli studenti di biennio. L'attività sperimentale richiede che gli studenti abbiano già i prerequisiti di base per l'utilizzo del sistema di acquisizione prescelto e per l'elaborazione dati al computer.