Esiste un difetto fondamentale di perdita energetica al centro della produzione agricola globale. Questo processo di perdita di energia, noto come fotorespirazione, fa sì che le piante sprechino energia e rilascino CO₂ che viene assorbita solo parzialmente. Le piante C3, che rappresentano più dell'85% delle specie vegetali totali, sono le principali fonti alimentari. Consumano energia attraverso la reazione errata catalizzata dall’enzima RuBisCO. Questo enzima fissa l’ossigeno invece che l’anidride carbonica. Di conseguenza, viene rilasciata CO₂ e l’energia viene sprecata.
È necessario uno schema biologico di questo processo per illustrare i cambiamenti. In questa guida del blog, c’è un facile tutorial sul diagramma in EdrawMax che copre tutti i principali passaggi ed eventi. Puoi modificare il modello online oppure disegnare il tuo diagramma. Inoltre, puoi utilizzare anche modelli online in vari strumenti digitali.
In questo articolo
Cos'è la Fotorespirazione?
La fotorespirazione è un processo che si verifica nelle piante verdi durante la fotosintesi. Le piante producono il loro cibo utilizzando luce solare, acqua e anidride carbonica. Questo cibo fornisce energia alla pianta e la aiuta a crescere. Un enzima chiamato RuBisCO (ribulosio-1,5-bisfosfato carbossilasi/ossigenasi) svolge un ruolo cruciale in questo processo.
Ossigenazione di RuBisCO
RuBisCO aiuta le piante a fissare l’anidride carbonica dall’aria. Questo passaggio avvia il processo di formazione del cibo nelle piante. Tuttavia, RuBisCO ha una debolezza. Non riesce a distinguere chiaramente tra anidride carbonica e ossigeno. A causa di questo problema, RuBisCO a volte reagisce con l’ossigeno invece che con l’anidride carbonica. Gli scienziati chiamano questa reazione ossigenazione di RuBisCO.
L’ossigenazione di RuBisCO avvia la fotorespirazione. Questo processo di solito si verifica in condizioni di caldo e siccità. Durante il clima caldo, le piante chiudono gli stomi per risparmiare acqua. Quando gli stomi si chiudono, il livello di anidride carbonica all’interno della foglia diminuisce. Allo stesso tempo, il livello di ossigeno aumenta. Di conseguenza, RuBisCO inizia a utilizzare l’ossigeno più frequentemente.
Quando RuBisCO reagisce con l’ossigeno, forma due prodotti: un composto a 3 carboni chiamato 3-PGA, che aiuta la pianta. L’altro prodotto, chiamato fosfoglicolato, crea problemi per la pianta. Questo prodotto dannoso non contribuisce alla formazione del cibo. La pianta deve eliminarlo rapidamente per restare sana.
La pianta usa energia per eliminare questo prodotto nocivo. Durante questo processo, la pianta rilascia anidride carbonica nell’aria. La pianta utilizza anche ATP e non produce glucosio durante la fotorespirazione. Di conseguenza, la fotorespirazione provoca una perdita di energia.
Inoltre, la fotorespirazione riduce il tasso di fotosintesi. Rallenta la crescita delle piante e diminuisce la produzione di cibo. Questo processo si verifica principalmente nelle piante C3 come grano, riso, orzo e avena. Queste piante soffrono maggiormente nei climi caldi.
Gli scienziati considerano la fotorespirazione un processo di spreco. Spreca energia, rilascia anidride carbonica e riduce la resa dei raccolti. Gli agricoltori affrontano problemi perché la fotorespirazione riduce la quantità di cibo che le piante possono produrre.
Il percorso della Fotorespirazione
Processo a tre organelli
Il percorso della fotorespirazione comprende molti passaggi. Questo percorso coinvolge tre organelli della cellula vegetale. Questi organelli sono il cloroplasto, perossisoma, e mitocondrio. Per questo motivo, gli scienziati chiamano la fotorespirazione un processo a tre organelli.
Il percorso inizia nel cloroplasto. Nel cloroplasto, RuBisCO reagisce con l’ossigeno. Questa reazione produce un composto dannoso. Il cloroplasto converte questo composto in glicolato. La cellula poi invia il glicolato al perossisoma.
All’interno del perossisoma, il glicolato viene convertito in glicina. Questo passaggio produce anche perossido di idrogeno. Il perossido di idrogeno può danneggiare la cellula. Enzimi speciali all’interno del perossisoma lo scompongono rapidamente. Questi enzimi proteggono la cellula vegetale dai danni.
Dopo questo passaggio, la glicina viene trasportata nel mitocondrio. Nel mitocondrio, due molecole di glicina si combinano e formano una molecola di serina. Durante questo passaggio, la pianta rilascia anidride carbonica e ammoniaca. Questo rilascio comporta una perdita di carbonio e azoto fissati.
Successivamente, la serina ritorna al perossisoma. Il perossisoma la modifica nuovamente. La cellula poi la invia di nuovo al cloroplasto. Nel cloroplasto, la pianta riforma il RuBP. Questo RuBP può partecipare nuovamente alla fotosintesi.
Anche se la pianta recupera alcuni materiali, il percorso comporta una significativa perdita di energia. La pianta usa ATP durante la fotorespirazione. La pianta inoltre perde l’anidride carbonica fissata precedentemente.
Questa perdita di energia riduce l’efficienza della fotosintesi. Le piante crescono lentamente. Le foglie producono meno cibo. Le piante coltivate forniscono una resa inferiore. Gli agricoltori delle regioni calde affrontano problemi a causa di questo processo.
La fotorespirazione inoltre aumenta lo stress nelle piante. Le piante diventano deboli nei climi secchi. Questo percorso spiega perché molte piante C3 non sopravvivono bene in ambienti caldi.
Adattamenti C4 e CAM
Evitare la fotorespirazione
Alcune piante sviluppano adattamenti speciali per evitare la fotorespirazione. Queste piante includono piante C4 e piante CAM. Queste piante vivono in zone calde e aride. Usano metodi speciali per ridurre l’effetto dell’ossigenazione di RuBisCO.
Le piante C4 comprendono mais, canna da zucchero, granturco e sorgo. Queste piante fissano l’anidride carbonica prima nelle cellule del mesofillo. Formano un composto a quattro atomi di carbonio chiamato ossalacetato che si trasferisce alle cellule della guaina fascicolata.
Nelle cellule della guaina fascicolata, RuBisCO opera in un ambiente ad alta concentrazione di anidride carbonica. A causa di questa condizione, RuBisCO non reagisce con l’ossigeno. Questo metodo riduce notevolmente la fotorespirazione. Le piante C4 producono cibo in modo più efficiente. Crescono più velocemente nei climi caldi.
Le piante C4 mostrano anche una migliore efficienza dell’uso dell’acqua. Mantengono parzialmente chiusi gli stomi. Questa azione riduce la perdita d’acqua e l’ingresso di ossigeno. Questo adattamento aiuta le piante a sopravvivere in condizioni di siccità.
Le piante CAM includono cactus, ananas e aloe vera. Queste piante adottano una strategia diversa. Aprono gli stomi di notte. Di notte, la temperatura resta bassa e la perdita d’acqua è minima. Le piante CAM assorbono anidride carbonica durante la notte.
Le piante CAM immagazzinano l’anidride carbonica negli acidi organici. Durante il giorno, queste piante chiudono gli stomi. Rilasciano l’anidride carbonica accumulata all’interno della foglia. RuBisCO utilizza così facilmente questa anidride carbonica.
Le piante CAM evitano la fotorespirazione separando in tempo lo scambio di gas dalla fotosintesi. Questo metodo consente di risparmiare acqua ed energia. Le piante CAM sopravvivono bene nei deserti.
Sia gli adattamenti C4 che quelli CAM riducono la fotorespirazione. Questi adattamenti migliorano la fotosintesi. Queste piante mostrano una migliore crescita in ambienti difficili.
Come creare un diagramma di fotorespirazione con EdrawMax
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Qui puoi disegnare un diagramma di fotorespirazione da zero seguendo passaggi semplici.
Passo 1 Selezione dei modelli di Biologia vegetale
- Apri EdrawMax ed effettua l'accesso. Quindi, fai clic sul pulsante 'Nuovo' sul lato sinistro dello schermo. Nella sezione dei modelli, puoi scegliere modelli già pronti per la biologia vegetale, come fotosintesi e struttura cellulare.
- Puoi selezionarne uno oppure optare per un disegno vuoto per partire da zero.
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Funzionalità AI100% sicuro | Versioni per desktop >>Passo 2 Disegno del percorso a 3 organelli
- Usa le forme di disegno base e i simboli dalla libreria dei simboli e trascinali sulla tela. Disegna le forme per i mitocondri (struttura a forma di fagiolo), cloroplasti (forma ovale con sacchi interni) e perossisomi (un piccolo cerchio).
- Disponi queste forme in un flusso triangolare in cui il percorso fotorespiratorio collega queste parti. Ora, usa le frecce per mostrare il ciclo del percorso
- Dal cloroplasto al perossisoma
- Dal perossisoma al mitocondrio
- Ritorno dal mitocondrio al perossisoma e infine di nuovo al cloroplasto
Disegna le frecce per lo scambio di gas: input di CO₂ e O₂ nel cloroplasto, e aggiungi una casella di testo per la fotorespirazione.
Passo 3 Illustrare le reazioni di RuBisCO
- Posiziona una casella di testo per l’enzima RuBisCO all’interno del cloroplasto
- Disegna due percorsi di reazione. Etichetta una freccia per la CO₂ per la carbossilazione, che passa attraverso il ciclo di Calvin e la produzione di zucchero. Questa produzione è utile per le piante.
- Disegna una freccia per l’ossigenazione, O₂, che è un processo di spreco. Questo mostra l’uscita dal cloroplasto verso il percorso fotorespiratorio
- Usa colori diversi per le reazioni di O₂ e CO₂
Passo 4 Creazione di grafici comparativi tra C3, C4, CAM
Puoi creare una tabella comparativa usando gli strumenti tabella di Edraw per confrontare le piante C3, C4 e CAM.
Usa una casella di testo per CCM (Meccanismo di concentrazione del carbonio), utilizzato da C4 e CAM per fissare la CO₂ in un composto a 4 carboni.
Posiziona una casella di testo per il carboxisoma, utilizzato per minimizzare la fotorespirazione.
Passo 5 Aggiunta di dettagli biochimici
- Utilizza le caselle di testo e gli strumenti di forma di EdrawMax per aggiungere dettagli biochimici.
- Aggiungi caselle di testo per i seguenti elementi e etichettali
- HCO₃⁻ (bicarbonato)
- Pompe di CO₂
- Carboxisoma: origina dai cianobatteri e concentra la CO₂
- CCM del pirenoide: presente nei cloroplasti delle alghe
- Fattori ambientali, come CO₂, H₂O, luce, temperatura, vento
- Obiettivi di ingegneria per le colture C3
Una volta completato il diagramma, puoi esportarlo. Qui puoi trovare le diverse opzioni e scaricare secondo le tue esigenze. Puoi, infatti, scegliere di esportare il tuo diagramma nel formato GIF come questo:
Che tu sia uno studente, insegnante o appassionato di biologia, puoi disegnare diagrammi di biologia su EdrawMax gratuitamente ed esportarli per condividerli con amici o nel tuo gruppo sociale.
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Conclusione
La fotorespirazione non è solo un processo biologico, ma costituisce anche un limite alla produzione alimentare globale, poiché compete con il ciclo di Calvin, che nelle piante produce zucchero. Una rappresentazione visiva ottenuta tramite strumenti digitali come EdrawMax può illustrare questo processo in modo più efficace. Evidenziando le sue fasi e i suoi eventi principali, gli studenti possono comprenderlo meglio.
