Introduzione
La maggior parte delle persone si concentra sulla fotosintesi quando pensa alle piante. Ma questa Guida completa alla respirazione nelle piante copre la sua controparte trascurata. Gli scienziati pubblicano 3 articoli sulla fotosintesi per ogni 1 sulla respirazione delle piante. Questo divario ha lasciato i giardinieri all'oscuro su come le loro piante si alimentano giorno e notte.
Ho insegnato biologia vegetale per anni prima di capire quanto poco le persone sapessero sulla respirazione cellulare. Imparano che le piante producono ossigeno e pensano che questo racconti tutta la storia. La verità è che la respirazione delle piante rilascia circa 60 petagrammi di carbonio ogni anno. Quel numero è 6 volte superiore a tutte le emissioni umane messe insieme. Mi ha scioccato quando ho letto per la prima volta i dati in una rivista di ricerca.
Cosa distingue questo processo dalla fotosintesi? La fotosintesi funziona solo quando la luce colpisce le foglie. Ma la respirazione funziona 24 ore al giorno in ogni cellula vivente. Le tue piante da appartamento respirano mentre dormi. I tuoi ortaggi bruciano carburante durante la notte. Questo costante metabolismo energetico delle piante alimenta la crescita anche quando il sole tramonta.
Questa guida suddivide il processo in tre fasi chiare che avvengono all'interno di ogni cellula. Imparerai come le piante convertono il glucosio in energia utilizzabile. I tre passaggi sono la glicolisi, il ciclo di Krebs e la catena di trasporto degli elettroni. Vedrai anche dove avviene tutto questo e perché è importante per il tuo giardino. Queste nozioni di base ti aiutano a fare scelte migliori su irrigazione, cura del terreno e controllo della temperatura.
Le 3 fasi della respirazione delle piante
Pensa alla respirazione delle piante come a una fabbrica con 3 stazioni su una catena di montaggio. Ogni stazione prende il prodotto dalla precedente e aggiunge più valore. Il glucosio entra all'inizio. La produzione di ATP avviene in ogni fase. Le tre fasi sono la glicolisi, il ciclo di Krebs e la catena di trasporto degli elettroni.
La glicolisi avviene per prima nel fluido cellulare all'esterno dei mitocondri. Questa fase divide un glucosio in due pezzi più piccoli chiamati piruvato. Il processo produce 2 molecole di ATP. Rilascia anche elettroni ad alta energia. Questi elettroni vengono passati per alimentare le fasi successive. La glicolisi funziona con o senza ossigeno.
Il ciclo di Krebs subentra successivamente all'interno dei mitocondri. Potresti sentirlo chiamare anche ciclo dell'acido citrico. Qui il piruvato si scompone ulteriormente e rilascia anidride carbonica come scarto. Questa fase cattura più elettroni e produce altri 2 ATP. La maggior parte dell'energia è ancora contenuta in quegli elettroni catturati in attesa della fase finale.
La catena di trasporto degli elettroni completa il lavoro sulla membrana interna dei mitocondri. Gli elettroni fluiscono attraverso proteine che agiscono come piccole ruote idrauliche. Potresti sentire il tuo insegnante chiamare questo passaggio fosforilazione ossidativa, ma puoi semplicemente pensarlo come il grande guadagno energetico. La maggior parte dei 23-24 ATP proviene da questa fase finale. L'ossigeno cattura gli elettroni usati alla fine e li trasforma in acqua.
La maggior parte dei libri di testo afferma ancora che le cellule producono 36-38 ATP per glucosio. La ricerca moderna mostra che il numero reale è più vicino a 27-28 ATP. Le piante possono anche usare una via alternativa che riduce la resa dal 15% al 31% in più. Questa via aiuta le piante a gestire lo stress ma costa loro energia. Ho insegnato i vecchi numeri per anni prima che uscisse la ricerca aggiornata.
Respirazione aerobica vs anaerobica
Le tue piante possono respirare in due modi diversi in base all'ambiente circostante. La respirazione aerobica è come mangiare un pasto completo che estrae ogni minimo di energia dal cibo. La respirazione anaerobica è più come uno spuntino veloce che spreca la maggior parte dei nutrienti. La differenza chiave è la disponibilità di ossigeno nel terreno intorno alle radici delle tue piante.
Una volta ho annaffiato troppo una fila di pomodori finché le radici non sono rimaste in terreno fradicio per giorni. Le piante sono diventate gialle e deboli anche se avevano molta acqua. Il terreno saturo d'acqua non ha quasi ossigeno per le radici. I miei pomodori sono passati alla via anaerobica e hanno esaurito l'energia. Questo errore mi ha insegnato quanto sia importante l'efficienza energetica delle piante.
La fermentazione nelle piante funziona come sistema di riserva quando l'ossigeno si esaurisce. Le cellule della tua pianta producono etanolo durante questo processo invece dei normali prodotti di scarto. Alcune piante si sono adattate per sopravvivere alle inondazioni usando questa via per brevi periodi. Il riso gestisce le radici bagnate meglio della maggior parte degli ortaggi che coltivi nel tuo giardino. Ma anche il riso non può funzionare solo con la fermentazione per troppo tempo.
Come le piante scambiano i gas
I tuoi polmoni pompano aria dentro e fuori per respirare. Le piante funzionano in modo molto diverso. Lo scambio gassoso nelle piante avviene attraverso diffusione passiva attraverso minuscole aperture e sottili pareti cellulari. Questo significa che la superficie e i livelli di umidità contano molto per quanto bene le tue piante possono assorbire ossigeno e rilasciare anidride carbonica.
La ricerca del Servizio Forestale degli Stati Uniti mostra che circa metà della respirazione totale delle piante proviene dalle foglie. Il resto avviene negli steli, nelle radici e in altri tessuti viventi. Ogni parte della tua pianta ha il suo modo di ottenere i gas di cui ha bisogno per mantenere attiva la respirazione. Le cellule di guardia sulle foglie controllano quando gli stomi si aprono e si chiudono in base a luce, umidità e livelli d'acqua nella pianta.
Stomi sulle superfici fogliari
- Posizione: Si trovano principalmente sulla parte inferiore delle foglie, con alcune specie che hanno stomi anche sulla superficie superiore.
- Funzione: Questi pori microscopici permettono all'anidride carbonica di entrare per la fotosintesi e all'ossigeno di uscire durante la respirazione, rilasciando anche vapore acqueo.
- Regolazione: Le cellule di guardia che circondano ogni stoma si aprono e si chiudono in base a luce, umidità e livelli di anidride carbonica, controllando i tempi dello scambio gassoso.
- Densità: Una singola foglia può contenere migliaia di stomi per centimetro quadrato, massimizzando la superficie di scambio gassoso.
Lenticelle su steli e corteccia
- Posizione: Si trovano su steli legnosi, rami e corteccia di alberi e arbusti dove lo strato esterno impedisce la diffusione dei gas.
- Struttura: Queste macchie rialzate e suberose contengono cellule disposte in modo lasso con spazi d'aria tra loro, permettendo ai gas di passare.
- Funzione: Permettono all'ossigeno di raggiungere i tessuti viventi sotto la corteccia per la respirazione mentre permettono all'anidride carbonica di fuoriuscire.
- Aspetto: Spesso visibili come piccoli punti, linee o chiazze ruvide sulle superfici della corteccia di molte specie arboree.
Peli radicali e aerazione del suolo
- Posizione: Sottili estensioni simili a peli delle cellule epidermiche delle radici che si estendono negli spazi d'aria del terreno tra le particelle.
- Fonte di gas: Le radici assorbono ossigeno disciolto nell'acqua del terreno e dalle sacche d'aria intrappolate tra le particelle del suolo.
- Importanza: I terreni saturi d'acqua o compattati mancano di ossigeno adeguato, costringendo le radici alla respirazione anaerobica inefficiente.
- Collegamento al giardinaggio: Questo spiega perché un terreno ben drenante e evitare l'eccesso d'acqua sono fondamentali per una sana respirazione radicale.
Scambio diretto delle cellule epidermiche
- Posizione: Lo strato esterno di cellule che ricopre steli giovani, radici e altre parti non legnose delle piante.
- Meccanismo: Nelle piante erbacee e nei tessuti giovani, i gas possono diffondersi direttamente attraverso sottili pareti cellulari e membrane.
- Limitazione: Man mano che i tessuti maturano e sviluppano strati protettivi più spessi, diventano necessarie strutture specializzate come le lenticelle.
- Ruolo: Fornisce uno scambio gassoso supplementare oltre a stomi e lenticelle nelle parti appropriate della pianta.
Ho imparato sulla respirazione nelle radici a mie spese quando ho compattato troppo il terreno attorno a un nuovo arbusto. Le radici non riuscivano a ottenere abbastanza ossigeno attraverso la terra densa. Le tue piante hanno bisogno di terreno sciolto e arieggiato così sia la respirazione nelle foglie che la respirazione nelle radici possono funzionare bene. Stomi e lenticelle gestiscono le parti fuori terra mentre i peli radicali fanno il lavoro sottoterra.
Perché la respirazione è importante per la crescita
Pensa alla respirazione come pagare la bolletta elettrica della fabbrica della tua pianta. La fotosintesi costruisce glucosio dalla luce solare e dall'aria. Ma la tua pianta deve spendere parte di quel glucosio solo per tenere le luci accese e le macchine in funzione. L'importanza della respirazione si manifesta in ogni parte di come le tue piante crescono e restano vive.
Ecco un numero che mi ha sorpreso quando ho letto per la prima volta la ricerca. Le piante inviano circa il 50% del carbonio che fissano attraverso la fotosintesi di nuovo fuori attraverso la respirazione. Sembra molto spreco. Ma quell'energia aiuta la tua pianta a crescere di più e ad aggiungere peso. Questa crescita si chiama accumulo di biomassa. Aiuta anche con l'assorbimento dei nutrienti e alimenta la risposta allo stress. Senza di essa la tua pianta non potrebbe aggiungere nuove cellule o combattere le malattie.
I tessuti giovani in crescita hanno bisogno di molta più energia rispetto alle parti mature della tua pianta. Una piantina o un nuovo germoglio ha cellule che si dividono e si espandono velocemente. Ogni nuova cellula ha bisogno di ATP per costruire le sue pareti, copiare il DNA e produrre proteine. Ecco perché la respirazione per la crescita delle piante funziona intensamente in primavera quando tutto si risveglia. Le foglie mature che hanno smesso di crescere hanno bisogno di meno energia per il mantenimento di base.
Mi chiedevo sempre perché i miei trapianti appassivano e faticavano per settimane dopo che li spostavo. Ora conosco la risposta. Quando dissotterri una pianta danneggi molte delle sue radici. La pianta deve far ricrescere quelle radici velocemente, il che richiede un'enorme esplosione di energia. Ma con meno radici la pianta non può assorbire tanta acqua o nutrienti. Questa crisi energetica è ciò che chiamiamo shock da trapianto.
Puoi aiutare le tue piante sapendo quando le richieste di respirazione aumentano. Stress idrico, ondate di calore e attacchi di parassiti innescano tutti bisogni di alta risposta allo stress. La tua pianta brucia glucosio velocemente per riparare i danni e adattarsi alle nuove condizioni. Le piante sane con buone riserve di energia gestiscono queste sfide meglio di quelle stressate o affamate.
Fattori che influenzano il tasso di respirazione
Molti fattori che influenzano la respirazione delle piante controllano quanto velocemente le tue piante consumano energia. Alcuni provengono dall'interno della pianta stessa. Altri dipendono dal mondo circostante. Questi fattori aiutano a spiegare perché le piante si comportano come fanno.
Il legame tra temperatura e respirazione segue una regola chiamata Q10. Il tasso di respirazione della tua pianta circa raddoppia per ogni 10°C di aumento nell'intervallo normale. Questo spiega perché i prodotti si deteriorano più velocemente con il caldo estivo. Il freddo rallenta questo processo nel tuo frigorifero. Tengo questa regola a mente quando raccolgo pomodori nelle giornate calde. Li porto all'ombra fresca velocemente per rallentare il loro consumo energetico.
Effetti della temperatura
- Risposta Q10: Il tasso di respirazione circa raddoppia per ogni aumento di 10°C (18°F) all'interno dell'intervallo ottimale per quella specie vegetale.
- Limite superiore: Temperature molto alte degradano gli enzimi respiratori, causando un calo rapido della respirazione e possono uccidere il tessuto vegetale.
- Conservazione al freddo: Le temperature più basse rallentano molto la respirazione, ecco perché la refrigerazione estende la durata di conservazione di frutta e verdura raccolte.
- Uso pratico: Questa relazione aiuta i giardinieri a prevedere l'aumento delle esigenze di acqua e nutrienti durante il clima caldo.
Disponibilità di ossigeno
- Condizioni normali: Ossigeno adeguato nel terreno e nell'aria permette alla respirazione aerobica efficiente di procedere, generando la massima energia ATP.
- Terreno saturo d'acqua: Quando i pori del terreno si riempiono d'acqua, l'ossigeno non può raggiungere le radici, forzando il passaggio alla respirazione anaerobica inefficiente.
- Danni alle radici: La perdita di ossigeno a lungo termine porta alla morte delle radici poiché le cellule non possono produrre abbastanza energia per le funzioni di sopravvivenza.
- Soluzioni di aerazione: Aiuole rialzate, drenaggio adeguato e evitare la compattazione del suolo aiutano tutti a mantenere un ossigeno adeguato nella zona radicale.
Disponibilità di substrato
- Apporto di glucosio: Le piante hanno bisogno di carboidrati prodotti dalla fotosintesi come combustibile per la respirazione, quindi le piante ombreggiate o stressate possono esaurirlo.
- Risposta alla fame: Senza substrato adeguato, le piante non possono mantenere i tassi di respirazione necessari per le funzioni di crescita e riparazione.
- Riserve di accumulo: Radici, tuberi e semi immagazzinano amido che può trasformarsi in glucosio durante la germinazione o periodi di bassa fotosintesi.
- Consiglio pratico: Garantire luce adeguata per la fotosintesi supporta la respirazione necessaria per una crescita sana.
Età della pianta e tipo di tessuto
- Tessuti in crescita: Foglie giovani e frutti in sviluppo hanno tassi di respirazione molto più alti rispetto ai tessuti maturi.
- Mantenimento vs crescita: I tessuti maturi hanno bisogno di energia per il mantenimento di base, mentre i tessuti in crescita attiva richiedono energia extra per la divisione e l'espansione cellulare.
- Cambiamenti stagionali: Le richieste di respirazione raggiungono il picco durante i periodi di crescita attiva e diminuiscono durante la dormienza nelle piante perenni.
- Germinazione dei semi: I semi mostrano grandi aumenti della respirazione quando interrompono la dormienza e iniziano la crescita attiva.
Altri due fattori spiccano nei miei anni di giardinaggio. La disponibilità di ossigeno nel tuo terreno decide se le radici possono respirare bene. La tua pianta ha anche bisogno di disponibilità di substrato, che è solo un termine tecnico per avere abbastanza combustibile di glucosio. La siccità interrompe l'apporto di glucosio mentre le inondazioni interrompono l'ossigeno. Mantieni il terreno umido ma non fradicio per il miglior tasso di respirazione.
Respirazione e cambiamento climatico
La respirazione delle piante gioca un ruolo enorme nel ciclo globale del carbonio a cui la maggior parte delle persone non pensa mai. Le piante rilasciano circa 60 petagrammi di carbonio ogni anno. Questo è ciò che chiamiamo rilascio di carbonio dalla respirazione. Quel numero è circa 6 volte superiore a tutte le emissioni umane. Questo rende il bilancio del carbonio dell'ecosistema un pezzo chiave del puzzle del cambiamento climatico.
Ho appreso per la prima volta questi numeri in un articolo di ricerca. Hanno cambiato il modo in cui penso al mio giardino. Lo scambio totale di carbonio raggiunge circa 120 gigatonnellate all'anno. Quel numero include sia l'emissione che l'assorbimento di carbonio. Solo le colture aggiungono circa 8 gigatonnellate di CO2 ogni anno. Sono numeri grandi che si accumulano velocemente.
Ecco dove il cambiamento climatico crea un ciclo di retroazione. Temperature più alte accelerano i tassi di respirazione come abbiamo visto con la regola Q10. Se il pianeta si riscalda allora le piante respirano più velocemente e rilasciano più carbonio. Quel carbonio extra può intrappolare più calore che rende il pianeta ancora più caldo. Gli scienziati temono che questo potrebbe peggiorare il cambiamento climatico rispetto alle previsioni dei modelli attuali.
La ricerca da PMC mostra qualcos'altro che ha sorpreso gli esperti. Molti pensavano che le piante respirassero meno quando coltivate in condizioni di effetti di CO2 elevata. Ma i dati mostrano che i tassi di respirazione rimangono circa gli stessi anche con più CO2 nell'aria. Questo significa che non possiamo contare sulle piante per rallentare il loro rilascio di carbonio mentre i livelli di CO2 aumentano.
Cosa significa questo per te come giardiniere? Le tue piante fanno parte di questo sistema globale. Le piante sane che crescono bene assorbono più carbonio attraverso la fotosintesi di quanto ne rilascino attraverso la respirazione. Ma le piante stressate o morenti possono diventare fonti nette di carbonio. Le buone pratiche di giardinaggio aiutano a mantenere il tuo piccolo pezzo di bilancio del carbonio dell'ecosistema sul lato positivo.
5 miti comuni
Le piante producono solo ossigeno e non rilasciano mai anidride carbonica nell'atmosfera circostante.
Le piante rilasciano CO2 continuamente attraverso la respirazione 24 ore al giorno. Durante il giorno, la fotosintesi supera la respirazione, creando una produzione netta di ossigeno.
Dormire vicino alle piante di notte è pericoloso perché consumano tutto l'ossigeno nella stanza.
La quantità di ossigeno che una pianta da appartamento usa durante la notte è trascurabile rispetto al volume d'aria della stanza. Una singola persona usa molto più ossigeno di dozzine di piante.
La respirazione delle piante produce esattamente 36-38 molecole di ATP da ogni molecola di glucosio consumata.
La ricerca moderna peer-reviewed mostra che la resa effettiva di ATP è 27-28 per molecola di glucosio, significativamente inferiore ai valori obsoleti dei libri di testo.
La respirazione avviene solo nelle foglie dove gli stomi permettono lo scambio gassoso con l'ambiente.
La respirazione avviene in tutte le cellule vegetali viventi, incluse radici, steli, fiori e frutti. Ogni tessuto ha strutture adattate per lo scambio gassoso.
La fotosintesi e la respirazione sono processi opposti che si annullano completamente a vicenda.
Sebbene chimicamente opposti, le piante sane fissano più carbonio attraverso la fotosintesi di quanto ne rilascino attraverso la respirazione, permettendo crescita e accumulo di biomassa.
Conclusione
La respirazione nelle piante funziona 24 ore al giorno in ogni cellula vivente. Il processo di respirazione delle piante scompone il glucosio attraverso tre fasi. Questo produce 27-28 molecole di ATP di energia. Ogni cellula della tua pianta dipende da questo combustibile per restare viva e fare il suo lavoro.
La fotosintesi riceve la maggior parte dell'attenzione. Ma la respirazione merita uguale riconoscimento da parte tua. Le tue piante hanno bisogno di entrambe per prosperare. Una costruisce il cibo mentre l'altra lo brucia per alimentare la crescita. Senza respirazione i tuoi semi non germoglierebbero mai. I tuoi fiori non sbocerebbero mai. Penso a questo ogni volta che cammino nel mio giardino.
Le lezioni pratiche di questa guida possono aiutarti a coltivare piante migliori. Mantieni il terreno sciolto così le radici possono respirare. Controlla l'irrigazione per evitare di affogare quelle radici in terreno fradicio. Sposta i prodotti raccolti in conservazione fredda velocemente per rallentare la respirazione e mantenerli freschi. Dai ai trapianti cure extra mentre ricostruiscono i loro sistemi radicali.
Tutto il metabolismo energetico delle piante di cui hai letto oggi è il motore nascosto dietro al tuo giardino. Dal primo germoglio verde all'ultimo pomodoro, la respirazione nelle piante lo rende possibile. Usa questi consigli per una crescita sana delle piante nel tuo giardino oggi stesso.
Fonti esterne
Domande frequenti
Cos'è la respirazione nelle piante?
La respirazione delle piante è il processo biochimico in cui le piante convertono glucosio e ossigeno in energia ATP, rilasciando anidride carbonica e acqua come sottoprodotti.
Come respirano le piante senza polmoni?
Le piante scambiano gas attraverso strutture specializzate:
- Stomi (minuscoli pori sulle foglie)
- Lenticelle (pori su steli e corteccia)
- Peli radicali (assorbono ossigeno dagli spazi d'aria del terreno)
Le piante respirano di notte?
Sì, le piante respirano continuamente 24 ore al giorno. Di notte, la respirazione continua mentre la fotosintesi si ferma, rendendo le piante produttori netti di CO2 al buio.
Qual è la differenza tra respirazione e fotosintesi?
Differenze chiave tra i due processi:
- La fotosintesi costruisce glucosio usando energia luminosa; la respirazione lo scompone
- La fotosintesi assorbe CO2 e rilascia O2; la respirazione fa l'opposto
- La fotosintesi avviene solo alla luce; la respirazione avviene 24 ore al giorno
Perché le piante hanno bisogno di ossigeno?
Le piante hanno bisogno di ossigeno per la respirazione aerobica, che estrae la massima energia (27-28 ATP) dal glucosio nei mitocondri.
Quali fattori influenzano i tassi di respirazione delle piante?
Diversi fattori influenzano i tassi di respirazione:
- Temperatura (temperature più alte aumentano il tasso fino a un certo punto)
- Disponibilità di ossigeno in radici e tessuti
- Disponibilità di substrato (glucosio)
- Età della pianta e stadio di crescita
- Stress idrico e condizioni ambientali
Le piante possono ridurre i livelli di anidride carbonica negli ambienti interni?
Le piante assorbono più anidride carbonica di quanta ne rilascino durante il giorno attraverso la fotosintesi, ma di notte la rilasciano. Complessivamente, le piante sane in condizioni di buona luminosità forniscono una riduzione netta.
Quali sono i tipi di respirazione delle piante?
Le piante usano diverse vie di respirazione:
- Respirazione aerobica (con ossigeno, produce 27-28 ATP)
- Respirazione anaerobica/fermentazione (senza ossigeno, produce 2 ATP)
- Fotorespirazione (dipendente dalla luce, avviene insieme alla fotosintesi)
Come è collegata la respirazione al cambiamento climatico?
Le piante rilasciano 60 petagrammi di carbonio all'anno attraverso la respirazione. L'aumento delle temperature potrebbe aumentare i tassi di respirazione, influenzando potenzialmente l'equilibrio globale del carbonio.
Perché i giardinieri si interessano alla respirazione?
I giardinieri traggono beneficio dalla comprensione della respirazione perché:
- La temperatura influisce sulla crescita e sull'efficienza energetica
- Le radici in ristagno idrico non possono respirare correttamente
- La conservazione post-raccolta richiede gestione della respirazione
- Potatura e trapianto aumentano le richieste di respirazione
