Introduzione alla fotosintesi

 

Quello che può essere utile imparare alla scuola Primaria per affronare l’argomento alla  Secondaria

 

Maria Castelli

 

 

Si potrebbe dire “Le piante, queste sconosciute”…..

Se per diverse ragioni – la visione di documentari, la presenza in casa di animali domestici, il confronto spontaneo fra ciò che si vede succedere ad un animale con ciò che si osserva del proprio corpo e delle sue funzioni – i bambini hanno una certa conoscenza degli animali, lo stesso non si verifica con i vegetali. Manca soprattutto la famigliarità: pochi sono i bambini abituati a guardarli, a toccarli, a riconoscerli. Quasi nessuno stacca rami e foglie per farne qualcosa e scoprire di conseguenza come sono fatti. Forse chi vive in campagna sale ancora sugli alberi, ma in città e dintorni l’abilità è inesistente.

 

I bambini dimostrano di possedere alcune conoscenze un po’ slegate che utilizzano a fatica alle prese con l’osservazione diretta. Ci sono poi alcuni misconcetti:

- le piante sono vive, ma respirano? Sì, ma solo di notte….e di giorno no? Di giorno producono l’ossigeno! Ma senza respirare?

- hanno bisogno di luce, ma anche i semi? No, quelli stanno al buio, ma forse alla luce germinano più in fretta….

- le foglie sono verdi, ma non tutte, alcune sono rosse tutto l’anno….. E in autunno?

- i sempreverdi non perdono le foglie…o forse sì, nel bosco si calpestano gli aghi….

- di che cosa si nutrono le piante? Mangiano il terreno! No, a loro basta l’acqua! Ma il concime a che cosa serve? E le piante carnivore?

Molti hanno sentito parlare di FOTOSINTESI, alcuni sanno anche dire che consiste nella produzione di ossigeno e nell’assorbimento dell’ anidride carbonica dell’aria, ma nulla conoscono di come avvenga.

 

Il percorso che segue si svolge in una quinta numerosa ed eterogenea e rappresenta la tappa finale di un cammino incominciato con le semine in aula; in seconda ci si era soffermati sulle alghe trovate nella fontanella con le domande sulle bollicine: prima constatazione della produzione di una sostanza gassosa; in terza e in quarta le uscite in giardino hanno consentito di seguire il ciclo vegetativo degli alberi presenti, di osservarne le diverse parti, di incontrare gli animali che da essi traggono nutrimento e di interrogarsi sulle relazioni che si stabiliscono tra gli uni e gli altri.

In quinta, capita di solito di avere argomenti aperti da portare ad una temporanea conclusione; è come se ci fossero molti fili rimasti da annodare, almeno provvisoriamente e il tempo stringe un po’. Per questo, scelgo  una modalità di procedere più serrata, pur non sacrificando le esperienze di laboratorio.

 ----------------------------------------------------------------------------------------------------

In blu, gli stralci dal diario di bordo.

 

 1.    “Terra, il potere delle piante”, un documentario per tenere il filo del discorso

febbraio 2014

 

Ripartiamo dagli schemi “Tu sei il mio cibo” e “Le relazioni in giardino” elaborati nella parte finale del percorso “Il giardino della scuola” che i bambini ritrovano duplicati e pronti nel loro quaderno di quinta e che ci permettono di ripercorrere tutto il lavoro svolto in giardino. Ci soffermiamo sull’osservazione che tutti i viventi del giardino mangiano qualcosa, tranne i vegetali e sulla fitta rete di relazioni che tutti i componenti stabiliscono fra loro.

Propongo di guardare la prima parte del documentario della BBC “TERRA IL POTERE DELLE PIANTE”, che mi ha impressionato per la semplicità con la quale vengono presentati argomenti complessi e per la qualità delle immagini. Non lo proporrò per intero, lo taglierò in vari punti che non sono alla portata di ragazzi di quinta.

Aiuterò la comprensione suddividendolo in tappe, alle quali daremo un titolo; preparerò un testo narrativo di sintesi e poi supporterò alcuni punti del documentario con esperienze. In sostanza, il documentario farà anche da filo conduttore di questo percorso introduttivo alla fotosintesi, sacrificando un po’ l’investigazione con l’anticipo di qualche risposta, ma facilitando la comprensione a molti bambini.

 

Ecco la traccia del documentario seguita dalla sintesi che elaboriamo insieme:

1-     La luce e le piante

2-     Tre miliardi di anni fa, la Terra com’era

3-     I batteri violetti e i batteri verdi

4-     L’aria cambia

5-     L’esperimento

6-     La fotosintesi

7-     400 milioni di anni fa le piante conquistano la Terra

8-     Gli animali

9-     Gli alberi a foglie grandi

 

Dove c’è LUCE, possono nascere e crescere le piante e vivere gli animali che da esse dipendono per nutrirsi (es. grande sistema di grotte carsiche che si estende sotto la foresta pluviale in Vietnam: al buio non vivono piante e pochissime specie animali; dove la volta della grotta è crollata e la luce può entrare, cresce rigogliosa la foresta insieme ad una grande varietà di animali).

 

TRE MILIARDI DI ANNI FA, la Terra era come un deserto, l’atmosfera era composta da gas tossici come il metano e priva di ossigeno; i raggi del Sole più distruttivi raggiungevano le rocce e non avrebbero permesso la sopravvivenza di alcuna forma di vita.

 

Negli oceani, incominciarono a nascere e a diffondersi nelle acque superficiali i batteri violetti, adatti a vivere nelle acque salate (= HALOBATTERI); catturavano la luce per vivere e nutrirsi. Più in profondità, dove la luce riesce a filtrare, si svilupparono altre nuove specie di batteri: i batteri verdi (= CIANOBATTERI) che catturano la luce e producono ossigeno, come sostanza di rifiuto, che si libera nell’aria.

 

L’aria si riempì di OSSIGENO, spazzando via i gas tossici; l’ossigeno divenne così abbondante da formare, nella parte più alta dell’atmosfera, lo strato di ozono che protegge la Terra dai raggi luminosi più pericolosi emessi dal Sole.

 

Le piante producono l’ossigeno necessario agli animali (l’esperimento nella serra: senza piante la quantità di ossigeno dell’aria è troppo poca perché una persona possa vivere in salute); lo fanno con la FOTOSINTESI.

Le piante catturano la luce con le clorofille dei cloroplasti che stanno nelle cellule delle foglie. La luce è l’energia che esse utilizzano per dividere l’acqua in ossigeno, che lasciano uscire come rifiuto e idrogeno, che utilizzano insieme all’anidride carbonica assorbita dalle foglie per produrre gli zuccheri con i quali elaborano tutte le sostanze necessarie.     

 

400 milioni di anni fa, LE PIANTE LASCIARONO L’ACQUA e incominciarono a crescere lungo le rive e le coste grazie alle radici, che con la pressione che sanno esercitare (10 kg ogni cm quadrato), attaccarono le rocce frantumandole, formando lentamente il suolo (1000 anni per uno strato di 1 cm di suolo) e si diffusero ovunque sulla Terra.

 

Di conseguenza, anche GLI ANIMALI LASCIARONO L’ACQUA di oceani e laghi per colonizzare la terraferma, sulla quale potevano disporre di nuovo cibo (es. il Limulo, fossile ancora vivente).

 

Con il passare del tempo, le foglie, prima aghiformi o piccole hanno aumentato la loro superficie diventando così più grandi e quindi più adatte a catturare la luce, dotate di un gran numero di stomi per scambiare ossigeno, anidride carbonica e acqua con l’aria (PIANTE LATIFOGLIE, cioè con le foglie grandi).

 

Ascoltiamo i primi bambini a raccontare ciò che hanno compreso e riguardiamo l’intero documentario senza interruzioni. L’attenzione è ottima, ora che i diversi passaggi risultano più chiari, naturalmente al livello possibile per bambini di quinta.

 

 

Discussione per recuperare le esperienze degli anni scorsi

I bambini hanno già avuto modo di soffermarsi sulla fotosintesi, senza riconoscerla, quando abbiamo visto il sali-scendi delle alghe della fontanella (foto 1a,1b) e quando abbiamo notato l’esplosione del verde di foglie e fiori in giardino a primavera (foto 2a, 2b).

 

 

È da qui che partiamo con la discussione. Chiedo di ripensare alle osservazioni in giardino, alla sintesi che mette in luce le relazioni trofiche e anche le altre relazioni (v. parte finale di “Il giardino della scuola”) e di ricordare quanto appena imparato dal documentario per riscoprire insieme il ruolo delle piante fra i viventi.

Ali.- Gli animali mangiano i vegetali e i vegetali è come se mangiassero acqua e luce.

I. M. – Direttamente o indirettamente tutti noi e gli animali mangiamo vegetali.

Chi. – Alcuni animali mangiano altri animali, alcuni mangiano solo vegetali.

Eli. – Non sapevo che le piante catturassero la luce e producessero come rifiuto l’ossigeno.

G.C. – Grazie alle piante si è formato lo strato di ozono che ci protegge…

G. M. – Non sapevo dei batteri primordiali e non sapevo che dentro le foglie ci fossero i loro discendenti.

Si. – Le branchie speciali dei Limuli! E poi non sapevo che la luce riuscisse a separare le particelle dell’acqua.

Cl. – Che potenza le radici e com’erano grandi certi insetti primordiali…

Ma. – La dimensione delle foglie allora è importante…

Ale. – La nostra vita e quella degli animali dipende dagli alberi.

A. – Adesso ho capito bene il cambiamento di colore delle foglie in autunno.

Ri. – Come si forma in fretta l’ossigeno…..bastano poche ore.

Gio. – Ho imparato i cloroplasti…..

S.C. – Mi è piaciuto molto l’esperimento nella serra.

L.P. – Io ho conosciuto le foglie…

St. – Le prime piante terrestri mi hanno sorpreso.

 

Il documentario ha passato molte informazioni ed ha suggerito nuovi collegamenti fra le diverse conoscenze. Ora è necessario riportare le nuove informazioni al concreto dell’esperienza sul campo e dell’osservazione diretta; in questo modo ogni oggetto troverà le proprie dimensioni reali e le informazioni si collegheranno a quanto si può toccare con mano. Le suggestive immagini di cellule vegetali e di cloroplasti giganteschi allo stereo microscopio verranno riportate alle dimensioni reali nel catafillo di cipolla. Le clorofille verranno estratte dalle foglie, i vasi conduttori verranno resi evidenti e la traspirazione osservata in diretta. In sostanza la fotosintesi ritroverà la sua dimensione “quotidiana” attraverso una serie di esperienze collegate però l’una all’altra dal filo del discorso svolto dal documentario.

 

2.    Esperienze sul percorso dell’acqua nella pianta: la traspirazione e i vasi conduttori

marzo 2014

 

Avevo chiesto ai bambini come avremmo potuto vedere l’acqua che la pianta assorbe attraverso le radici, trasporta attraverso il fusto e lascia evaporare dalle foglie. Dico che potrei portare una piccola pianta. Alcuni bambini suggeriscono di innaffiarla e chiuderla in un sacco che si appannerà. Forse chi propone ha già visto qualcosa del genere. Comunque proviamo. (foto 3a,3b,3c)

 

 

L’esperienza risulta di facile comprensione e chiedo di verbalizzarla da soli.

 

Suggerisco l’idea di colorare l’acqua per evidenziare anche i vasi conduttori. Porto dei fiori bianchi appena colti (perché i vasi conduttori sono ancora pervi) e chiedo anche a loro di portarne. Preparo due soluzioni, una con inchiostro rosso e l’altra nero più un bicchiere d’acqua pulita.

Mettiamo nell’acqua pulita e nelle due soluzioni colorate con inchiostro gli stessi fiori e aspettiamo. Va precisato che non tutti gli inchiostri sono adatti allo scopo, dipende dalla composizione. Occorre metterli alla prova prima. Nel nostro caso, solo il rosso riesce a risalire bene.

Ecco che cosa possiamo osservare e verbalizzare in forma breve (foto 4a, 4b, 4c).

 

 

Sottolineo che i vasi conduttori si possono osservare anche direttamente nel fusto. A questo scopo, porto del sedano e raccolgo nel giardino della scuola alcuni rami. In classe rimuovo la corteccia e porto in evidenza le fibre del libro e del legno lungo le quali corrono i vasi che conducono rispettivamente la linfa verso il basso e l’acqua verso l’alto. Nel gambo di sedano, basta osservare una sezione trasversale (foto 5a, 5b, 5c).

 

 

Ho raccolto anche alcuni rami con foglie e li ho messi in acqua colorata con l’inchiostro rosso. Dopo alcuni giorni, tagliamo il ramo in sezione longitudinale e in sezione  trasversale per osservare i vasi che trasportano l’acqua evidenziati dal colore: non immediatamente sotto la corteccia e non nel midollo al centro del fusto. Faccio osservare con la lente 8x ( foto 6a, 6b, 6c).

 

 

Rappresentiamo con il disegno e verbalizziamo brevemente.

Mi sono accorta che la combinazione di macrofotografia digitale e lim può sostituire lo stereo microscopio, quando non è necessario ingrandire oltre 8x.

Più avanti, quando sbocciano le rose bianche in giardino, ripetiamo l’esperienza del fiore bianco nell’acqua colorata d’inchiostro rosso con una rosa appena colta (foto 7a, 7b).

 

 

Leggiamo e lascio da imparare due pagine di informazioni:

 

Come sale l’acqua dalle radici alle foglie?

La salita dell’acqua nei vegetali si spiega con la traspirazione, la capillarità e la coesione dell’acqua. Per ora vediamo la traspirazione.

 

LA TRASPIRAZIONE

 

La foglia, così come le altri parti della pianta, contiene acqua e questa evapora per azione del calore del sole che è sempre presente, anche nelle giornate nuvolose. Man mano l’acqua esce dalla foglia attraverso gli stomi, nuova acqua viene portata dai vasi conduttori legnosi che salgono nel fusto. A loro volta, i vasi svuotandosi, richiamano nuova acqua dalle radici e queste la assorbono dal terreno circostante.

 

Si forma così una corrente d’acqua continua che si muove dalle radici alle foglie che riesce a vincere la forza di gravità. L’energia necessaria a questo movimento è fornita dal calore del sole, che determina l’evaporazione dell’acqua attraverso le foglie.

Ogni giorno le piante perdono una gran quantità d’acqua per traspirazione. In una sola giornata estiva, una pianta può perdere una quantità d’acqua pari a cinque volte il peso fresco delle sue foglie.

L’acqua che le piante perdono per traspirazione proviene dal suolo. Quando il suolo non rifornisce l’acqua in quantità sufficiente per rimpiazzare quella persa dalle foglie attraverso gli stomi, le piante appassiscono. Le piante sono generalmente in grado di sopravvivere a brevi periodi di siccità chiudendo automaticamente gli stomi ed impedendo così l’evaporazione dell’acqua. Se la perdita di acqua è eccessiva o dura troppo a lungo, le piante muoiono.

I cactus hanno le foglie trasformate in spine per ridurre la superficie traspirante e quindi limitare la perdita di acqua.

 

 

--------------------------------------------------------------------------

Gli stomi sono delle piccole aperture poste nella pagina inferiore delle foglie. Sembrano piccole bocche e si possono aprire e chiudere secondo la necessità.

 

 

Il fusto

 

Il fusto collega le radici alle foglie e sostiene la pianta.

Quando la pianta è ancora piccolissima e sta cercando una via d’uscita dal terreno verso la luce, è la punta del fusticino, che si chiama gemma apicale, a guidarla verso la luce.

Da altre gemme, spuntano i rami. Una pianticella può trasformarsi in un grosso albero.

Durante tutto il tempo in cui essa cresce, le sue radici prendono dal suolo l’acqua e le sostanze minerali di cui ha bisogno.

Nel tronco degli alberi vi devono essere, dunque, le vie attraverso cui l’acqua e le sostanze minerali passano dalle radici alle foglie. Non è facile guardare in un tronco per osservare ciò, ma i rami più giovani sono, in piccolo, riproduzioni perfette dei tronchi. Noi possiamo quindi trovare la risposta osservando l’interno di un giovane ramo.

Fusto e rami sono protetti da uno strato di cellule morte, la corteccia, che contiene sostanze che proteggono la pianta dai parassiti.

Nel fusto, accompagnate da fibre di sostegno, le cellule sono disposte in modo ordinato così da formare dei tubicini sottilissimi che trasportano l’acqua assorbita dalle radici verso le foglie.

Le foglie dell’albero usano quest’acqua e questi minerali per fabbricare il nutrimento necessario per l’intero albero e lasciano evaporare attraverso gli stomi quella inutilizzata (traspirazione).

Un albero funziona come una specie di pompa, che aspira acqua dal terreno fino all’aria.

Ne fa salire una grande quantità e… non tanto lentamente. In un albero l’acqua risale con una velocità fra 1 e 4 metri all’ora; nelle piante erbacee sale più in fretta: fino a 60 m all’ora, ma il record spetta alle rampicanti con 150 m all’ora.

Una betulla con 200.000 foglie traspira in media 60 – 70 litri d’acqua al giorno, ma può arrivare anche a 300 - 400 litri, raggiungendo i 7.000 litri durante tutta un’estate.

Le piante quindi arricchiscono l’aria di umidità rendendola più respirabile.

Sotto lo strato esterno più scuro di corteccia e lo strato di verde appena sottostante ci sono lunghe fibre. Queste fibre sono chiamate “libro”. Attraverso queste lunghe fibre, il nutrimento passa dalle foglie a tutte le parti dell’albero. 

La maggior parte di ciò che rimane del ramoscello è legno.

Proprio nel centro del ramoscello c’è poi una sostanza soffice chiamata “midollo”.

Il fusto non cresce solo in altezza ma anche nel diametro. Se ne osservi uno tagliato in sezione trasversale puoi vedere i cerchi annuali di crescita; le piante che vivono nei climi come il nostro con stagioni ben distinte lavorano e crescono diversamente nelle stagioni calde e in quelle fredde; ogni coppia di cerchi (chiaro quello primaverile, più scuro quello estivo ) corrisponde ad un anno di vita  della pianta.

 

 

3.    Le cellule vegetali

aprile 2014

 

Vediamo un breve documentario di RAI EDU sui tessuti vegetali (http://www.raiscuola.rai.it/articoli/le-    cellule-vegetali-composizione-i-tessuti/9195/default.aspx).

 Ci sono belle immagini al microscopio a scansione di cellule vegetali epiteliali, di peli e di cellule deputate  alla fotosintesi nelle quali sono evidenti i cloroplasti. Viene descritta anche la struttura della cellula  con l’aiuto del disegno e di un modellino, inoltre si mostra la cellula di catafillo di cipolla al microscopio ottico, che noi potremo osservare a 30 ingrandimenti allo stereomicroscopio con luce dal basso.

 Porto una cipolla e osserviamo ad occhio nudo e al microscopio. Ognuno disegna quanto osserva e    insieme descriviamo evidenziando la disposizione delle cellule l’una accanto all’altra come in un pavimento, la presenza della parete cellulare e l’assenza della colorazione verde: queste cellule infatti  non contengono cloroplasti e non hanno il compito della fotosintesi; invece immagazzinano sostanze di  riserva (foto 8).

 

 

4.    I pigmenti che catturano la luce del sole 

aprile 2014

 

Finalmente possiamo osservare i pigmenti fogliari dei quali da tanto parliamo.

Ho portato un mortaio e le foglie degli spinaci. I bambini le spezzettano a piccoli frammenti, qualcuno le raccoglie e a turno vengono a pestarle nel mortaio, mentre l’acqua si riscalda sul fornello. Aggiungo alle foglie pestate mezzo bicchiere d’alcool e lasciamo riposare il tutto a bagno-maria nell’acqua bollente per un’oretta. (Mentre attendiamo, andiamo ad osservare le cellule di catafillo di cipolla allo stereo microscopio, v. sopra). Spiego che per vedere i pigmenti fogliari dobbiamo rompere le cellule e farli uscire, scioglierli in alcool e poi filtrarli.

Con un fazzoletto di stoffa bianca filtriamo la soluzione verde scuro ottenuta e intingiamo una striscia di carta assorbente nella soluzione. I diversi pigmenti sono composti da sostanze diverse, quindi diverse per le dimensioni delle particelle che le compongono, quindi diversamente capaci di muoversi insieme alle particelle d’acqua negli spazi vuoti fra le fibre della stoffa. Quindi risaliranno nella stoffa con diversa velocità (v. capillarità già conosciuta nel corso di un’esperienza in precedenza; conclusa l’esperienza, s’era fatto un gioco di ruolo nel quale ogni bambino rappresentava una “particella” d’acqua che mimava l’arrampicata in uno spazio stretto, tenendo un compagno per mano). Ecco le fasi dell’esperienza e il risultato sulla striscia e sulla stoffa (foto 9a, 9b ,9c, 9d).

I carotenoidi sono difficili da vedere e anche questa volta non appaiono.

 

 

Rappresentiamo e verbalizziamo in breve (foto 9e).

 

Le esperienze con i colori stupiscono e affascinano sempre. Qui si deve anche frantumare e pestare: è il massimo per i bambini. Inoltre il risultato finale con il colore giallo inatteso è sorprendente. Questa attività laboratoriale di estrazione dei pigmenti fogliari seguita dalla cromatografia ha tutte le caratteristiche per restare imp1ressa nella mente dei bambini, perché richiede di manipolare con modalità del tutto alla loro portata per mostrargli qualcosa di bello che li stupisce.

 

 

5.    La stima dell’area delle foglie del Tiglio grande             

maggio 2014 (nelle ore di Matematica)

 

Richiamo una sfida che avevo già posto loro parlando della funzione e dell’importanza delle foglie. Abbiamo in giardino un Tiglio centenario e alcuni Tigli collocati davanti alla scuola con l’ultimo intervento di sistemazione, 5 o 6 anni fa.

Chiedo quante possono essere le foglie del Tiglio grande e come possiamo sapere quante sono, in modo approssimativo. Inoltre chiedo quale può essere l’area totale delle foglie.

Escludono ovviamente di spogliare l’albero e di contarle. Scelgono di fare una stima, operazione abituale in classe, prima di una misurazione. Suggerisco di incominciare dal più piccolo dei Tigli giovani.

Prima facciamo una previsione. Mi sorprendono perché 13 su 25 si aspettano 200.000 foglie, gli altri fra 5.000 e 300.000. Ricordano che nel testo informativo sulla traspirazione si parla di una Betulla di 200.000 foglie.

Invece la previsione dell’area è lontana: ritengono che si potrebbe pavimentare il corridoio del nostro piano (40m x 3m).

Questa non è la prima classe quinta alla quale faccio questa richiesta; mi aspettavo una previsione lontana da una stima plausibile. Nella scuola primaria, non si opera abbastanza con le superfici poco estese e pochissimo con quelle grandi.

 

Come ragioniamo?

Sono loro stessi a suggerire correttamente di confrontare il Tiglio grande con il giovane per calcolare quante volte il primo è più grande. Poi dobbiamo stimare il piccolo contando i tronchi, i rami di un tronco, i ramoscelli di un ramo, le foglie di un ramoscello e moltiplicare di volta in volta.

Usciamo in giardino e procediamo.

Faccio notare che i Tigli giovani arrivano alle finestre del primo piano, mentre il Tiglio grande supera il tetto di un altro piano, così sembra osservando dal basso e da lontano.

Stimiamo che la chioma del Tiglio grande possa essere 10 volte quella del giovane. Misuriamo a spanne anche la circonferenza del tronco: 3 spanne per il piccolo e 24 per il grande.

Contiamo un solo tronco dal quale prendono origine 20 rami e dal ramo scelto da noi partono 20 ramoscelli; cogliamo un ramoscello e contiamo 70 foglie di dimensioni diverse.