La didattica a distanza e la fotosintesi

Cari amici,

le lezioni online sono sempre più faticose. I ragazzi sono stanchi e se non movimentiamo un po’ le cose rischiamo davvero di farli addormentare dietro webcam spente.

Ho quindi modificato un po’ la mia lezione sulla fotosintesi fotosintesi trasformando attività in stile POGIL e abbiamo svolto insieme le attività durante il collegamento con Google Meet.

Per prima cosa abbiamo analizzato un modello che mostra cosa entra ed esce dalla foglia e da dove passano queste sostanze

foglia

Poi, siamo passati all’analisi di un modello della struttura interna della foglia, identificandone i diversi strati, la disposizione delle cellule e la presenza e/o distribuzione dei cloroplasti.

Schermata 2020-04-30 alle 18.37.28

Ci siamo soffermati brevemente anche sulle funzioni di xilema e floema e discusso in che modo il posizionamento delle venature aiuti a svolgere la loro funzione di trasporto di materiali da e verso la foglia.

Abbiamo quindi esplorato la correlazione tra struttura e funzione dei vari tessuti e tracciato  il percorso dei reagenti per la fotosintesi mentre entrano nella foglia.

Fatto questo, la lezione successiva siamo entrati nei cloroplasti delle cellule vegetali per esplorarne le strutture più da vicino.

Schermata 2020-05-08 alle 16.59.02

Analizzando il modello di cloroplasto, che vedete qui sopra, i ragazzi hanno imparato ad orientarsi tra le varie strutture, identificando le aree contenenti la clorofilla, dove vengono immagazzinate l’anidride carbonica e l’acqua  prima di venire utilizzate nella fotosintesi, la fonte di energia per questo processo endoergonico e in quale parte del cloroplasto si verificano le reazioni luce-dipendenti e quelle luce-indipendenti.

Dall’analisi dell’equazione generale della fotosintesi hanno anche cominciato a riflettere sui prodotti della fotosintesi.

Fase luminosa

Siamo, quindi, passati all’analisi dei processi che avvengono durante la fase luminosa.

Osservando il modello della figura che vedete sopra, i ragazzi prima hanno individuato il significato dei simboli (ad es. e- per l’elettrone) e proseguito individuando anche i punti in cui gli elettroni vengono rilasciati dalla clorofilla colpita da un fotone di luce proveniente dal Sole, dove gli elettroni vengono rilasciati delle molecole d’acqua e quali altri prodotti si formano quando gli elettroni vengono liberati dalle molecole dell’acqua.

Prima di proseguire,  i ragazzi hanno imparato che le reazioni luce-dipendenti della fotosintesi includono tre processi principali:

  • gli elettroni eccitati lasciano la clorofilla e riducono il NADP+ a NADPH.
  • gli elettroni eccitati che si muovono attraverso la catena di trasporto degli elettroni (complessi proteici contenuti nella membrana del tilacoide) forniscono l’energia libera necessaria per pompare ioni idrogeno all’interno del tilacoide.
  • gli ioni idrogeno che fuoriescono dal tilacoide attraverso un canale proteico (l’ATP sintasi) forniscono l’energia libera necessaria per convertire l’ADP in ATP.

Quindi, hanno proseguito individuando dove avvengono questi 3 processi. A questo punto, la riflessione si è focalizzata sul sistema della catena di trasporto degli elettroni.

Osservando il modello hanno proposto ipotesi di funzionamento di questa catena di trasporto e della funzione svolta nelle reazioni luce-dipendenti.

Hanno poi individuato:

  • il nome del complesso contenente clorofilla e altri pigmenti incorporato nella membrana del tilacoide che utilizza gli elettroni eccitati dall’energia solare per ridurre NADP+ in NADPH (fotosistema I),
  • il nome del complesso, contenente clorofilla e altri pigmenti, incorporato nella membrana del tilacoide che fornisce elettroni eccitati alla catena di trasporto degli elettroni (fotosistema II) e
  • il nome del complesso proteico incorporato nella membrana del tilacoide che converte l’ADP in ATP usando l’energia libera proveniente dal flusso di ioni idrogeno (ATP sintasi).

Una volta che la molecola di clorofilla ha rilasciato elettroni, non è più utile fino a quando tali elettroni non vengono sostituiti, per cui i ragazzi hanno individuato da dove provengono gli elettroni che andranno a sostituire quelli rilasciati dal fotosistema I e da dove provengono gli elettroni che andranno a sostituire quelli rilasciati dal fotosistema II.

Hanno, quindi, riflettuto sul fatto che l’anidride carbonica non è coinvolta nelle reazioni luce-dipendenti e hanno scritto in chat una reazione chimica che sintetizzi tutte le reazioni della fase luce-dipendente della fotosintesi partendo da una molecola d’acqua.

Ci siamo, quindi, interrogati su dove vanno a finire l’ATP e il NADPH prodotti durante le reazioni luce-dipendenti quando il processo è terminato e infine siamo passati all’analisi di un modello del ciclo di Calvin, o fase oscura, della fotosintesi.

Ciclo di Calvin

Per prima cosa i ragazzi hanno identificato le tre fasi principali del ciclo di Calvin presentate nel modello: fissazione del carbonio, riduzione del 3-PGA e rigenerazione.

Hanno quindi osservato il composto ribulosio bisfosfato (RuBP) nel Modello, contando  quanti atomi di carbonio (pallini viola) ci sono in ciascuna molecola e hanno osservato che il ribulosio bisfosfato si combina con l’anidride carbonica per formare 3-fosfoglicerato (3-PGA) durante la fase di fissazione del carbonio, contando quanti atomi di carbonio ci sono nel composto.

Hanno, quindi, ipotizzato cosa succede all’atomo di carbonio proveniente dalla molecola di anidride carbonica che entra nel ciclo di Calvin e riflettuto sul significato del termine “fissazione del carbonio”.

Il modello analizzato è una versione semplificata del ciclo di Calvin. Ciascuna delle tre fasi del ciclo consiste di una serie di reazioni catalizzate da enzimi specifici. Tra questi c’è la RuDP-carbossilasi ossidasi detta anche RuBisCo.

Facendo riferimento alla fase di riduzione del ciclo di Calvin del modello hanno poi:

  • individuato in quale molecola si trasforma la molecola 3-fosfoglicerato durante questa fase del ciclo di Calvin;
  • osservato la formula di struttura delle due molecole descrivendone le differenze;
  • identificato i tipi di molecole che forniscono l’energia libera necessaria per la riduzione delle molecole di 3-fosfoglicerato.

Siamo, quindi, passati alla fase di rigenerazione identificando i tipi di molecole che forniscono l’energia libera necessaria per questa fase e quali molecole vengono “rigenerate”  e cosa succede alla molecola gliceraldeide 3-fosfato che lascia il ciclo di Calvin.

Abbiamo fatto anche qualche considerazione:

  • sulla quantità di molecole di gliceraldeide 3-fosfato che servono per produrre una molecola di glucosio, giustificando la risposta facendo riferimento al numero di atomi di carbonio;
  • sul numero totale di molecole ATP e NADPH prodotte nella fase luminosa vengono utilizzate nella produzione di una molecola di glucosio;
  • su dove vanno l’ADP e il NADP + dopo che sono stati liberati nel ciclo di Calvin.

A questo punto abbiamo messo insieme i pezzi e analizzato in che modo le due serie di reazioni (luce-dipendenti e luce-indipendenti) dipendono l’una dall’altra, in che fase (luminosa o oscura) vengono prodotte le molecole presenti nell’equazione generale della fotosintesi e riflettuto sul fatto che anche se la fotosintesi produce un po’ di ATP, queste molecole non vengono utilizzate per svolgere il lavoro delle cellule vegetali, cominciando di fatto a introdurre un altro processo che si verifica nelle cellule che forniscono l’ATP necessaria per svolgere il lavoro cellulare come produrre proteine, dividere le cellule e spostare le sostanze attraverso le membrane: la respirazione cellulare.

A casa, i ragazzi hanno svolto l’esperimento dei dischetti galleggianti e la lezione successiva abbiamo discusso i risultati e fatto una sintesi di quanto appreso con queste due attività.

Sono abbastanza soddisfatta del lavoro svolto perché i ragazzi (di seconda) sono riusciti a comprendere abbastanza bene il senso di processi complessi senza averne le basi chimiche per poterli affrontare in profondità.

Se siete interessati ad avere le schede che ho realizzato adattando le attività POGIL sulla fotosintesi sapete già cosa dovete fare: iscrivervi alla newsletter.

Chi lo ha già fatto le riceverà nella casella di posta nei prossimi giorni.

Un’ultima cosa.

I miei ragazzi di seconda sono dell’indirizzo Cambridge per cui, per compito,  ho fatto loro vedere anche questo video della serie Crash Course:

Ho accompagnato la visione del video (consigliando di diminuire la velocità di riproduzione a 0.75 visto che Hank è una mitragliatrice) con un questionario di comprensione preso da questo libro: Crash Course Biology di Roger Morante.

Per oggi è tutto!

Alla prossima!

Barbara

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