ANIDRIDE CARBONICA, FOTOSINTESI E GLOBAL GREENING

Il global greening è il sensibile aumento della produttività degli ecosistemi agricoli e naturali indotto dagli accresciuti livelli di CO₂ e che fra l’altro si traduce in un incremento della sicurezza alimentare globale. Con questo scritto ci si propone di richiamare alcuni concetti di base utili ad interpretare il fenomeno, descritto facendo ricorso a bibliografia recente.

 

di LUIGI MARIANI 

 

*La scoperta del ruolo biologico della CO₂ atmosferica è il lascito del grande scienziato svizzero Nicolas Theodore De Saussure, che la divulgò nel suo testo Réchérches chimiques sur la vegetation (Parigi, 1804) che gli interessati possono consultare in google books.

 

 

Anidride carbonica e fotosintesi

L'anidride carbonica (CO₂) è un componente essenziale della fotosintesi, processo biochimico che utilizza l'energia della luce per convertire CO₂ e acqua in zuccheri nelle piante verdi*. Questi zuccheri vengono poi utilizzati dalle piante sia per produrre molecole strutturali (carboidrati, proteine, lignina, cellulosa, ecc.) sia per produrre l’energia necessaria per i diversi processi fisiologici, attraverso la respirazione. La differenza tra il tasso di fotosintesi e il tasso di respirazione è la base per l'accumulo di sostanza secca nella pianta. Le piante acquisiscono la CO₂ atmosferica tramite gli stomi e il primo accettore di questa molecola essenziale per la vita è la Rubisco (Ribulosio bifosfato carbossilasi-ossigenasi), il cui ruolo biologico è attestato dal fatto che è la proteina più diffusa in natura.

La grande maggioranza delle piante spontanee e coltivate (in gergo piante C3 – frumento, riso, soia, conifere, latifoglie arboree, ecc.) sfruttano tutt’oggi il meccanismo di assorbimento di CO₂ che fu adottato circa 500 milioni di anni orsono dalle prime piante vascolari, in un’epoca in cui i livelli atmosferici di CO₂ erano di gran lunga più elevati di quelli attuali (fino a 20-30 volte). Pertanto oggi che si trovano a operare con livelli di CO₂ di gran lunga inferiori a quelli ottimali per la fotosintesi, le piante C3 manifestano problemi legati al fatto che Rubisco “sbaglia” acquisendo ossigeno molecolare in luogo di anidride carbonica (in realtà non si tratta di un errore ma di un meccanismo di protezione da dannose ossidazioni). Per superare l’inefficienza delle C3, nelle ultime decine di milioni di anni si sono evolute le piante C4 (come mais, sorgo e canna da zucchero) e le piante CAM (come l’ananas, la portulaca, il fico d'india e molte altre cactacee) che dispongono di meccanismi di concentrazione di CO₂ in tessuti o ore particolari, in modo da “darla in pasto” a Rubisco a dosi tali da evitare che quest’ultimo “si sbagli”.

Non approfondisco ulteriormente tale argomento per non appesantire inutilmente il discorso; tuttavia evidenzio al lettore che i meccanismi biochimici che sono alla base della fotosintesi, e dunque della vita sul pianeta Terra, sono essenziali per comprendere il comportamento degli ecosistemi vegetali ed in tal senso mi limito a rilevare che aumentando i livelli di CO₂ atmosferici le C3 diventano più competitive rispetto alle C4 e alle CAM. Sottolineo inoltre che dalla subottimalità dei livelli atmosferici di CO₂ deriva il fatto che in serra si effettua da oltre un secolo la concimazione carbonica (Menozzi e Pratologo, 1945; Tonzig e Marré, 1968), portando CO₂ fino a 1000 ppmv con lo scopo di aumentare le rese di colture come ad esempio il pomodoro, secondo la tecnica descritta ad esempio da Blom et al. (2002).

 

Figura  1 – Rilevanza globale del  global greening espressa da questo diagramma frutto di una simulazione condotta da un gruppo di ricerca australiano (Haverd et al. 2020). I dati sono frutto di una simulazione eseguita con il modello CABLE  e i dati qui riportati descrivono il fenomeno come frutto di (a) effetti a livello fogliare dei cambiamenti a livello fisiologico stimolati direttamente dall'anidride carbonica (verde scuro), (b) effetti legati all'aumento complessivo di massa fogliare (verde chiaro) e (c) effetti del  cambiamento climatico (arancio).  In complesso l’aumento in GPP dal 1900 al 2020 è stimato pari al 30% mentre al raddoppio di CO₂ (560 ppmv) raggiungerà il 47%. Si noti che anche il cambiamento climatico si rivela in complesso favorevole a una più elevata produttività degli ecosistemi.

Il global greening

Mi pare utile partire dalla sintesi fatta da Piao et al (2020) che vi propongo nella mia traduzione: “Il global greening è in atto per lo meno dal 1981, anno dal quale i satelliti per risorse territoriali hanno permesso il monitoraggio della vegetazione su larga scala. In questa review esaminiamo il segnale di global greening, le sue cause e le sue conseguenze. Il global greening è più pronunciato su aree ad agricoltura intensiva come in Cina e in India ove è il riflesso delle attività antropiche. Tuttavia, un forte segnale di global greening si registra anche in biomi a bassa impronta umana, come l'Artico, ove i fattori di cambiamento globale giocano un ruolo dominante. I modelli di vegetazione suggeriscono che la fertilizzazione da CO₂ è il principale motore del global greening, cui concorrono altri fattori notevoli a scala regionale. La modellazione indica che il global greening può mitigare l’AGW aumentando il sink terrestre del carbonio e stimolando il raffreddamento traspirativo.”

Il global greening è effetto degli accresciuti livelli atmosferici di CO₂, in virtù dei quali non solo le piante crescono di più ma sono anche meno esposte al rischio di siccità in quanto, trovando più facilmente la CO₂ nell’atmosfera, possono permettersi di sviluppare un minor numero di stomi per unità di superficie fogliare (indice stomatico), limitando così le perdite traspirative. Il global greening sta oggi facendo arretrare i deserti in tutto il mondo (sia i deserti caldi delle latitudini tropicali sia quelli freddi delle latitudini più settentrionali) come per l’appunto dimostrano le immagini satellitari (Hermann et al., 2005; Helldén e Tottrup, 2008; Sitch et al. 2015). Tali evidenze sono confermate da Campbell et al. (2017) i quali, utilizzando un proxy biogeochimico (il solfuro di carbonile presente in carote glaciali), hanno evidenziato che nel corso del XX secolo si è registro un aumento di circa il 31% della produzione primaria lorda (CO₂ fissata nella sostanza organica dalle piante terrestri attraverso la fotosintesi).

Da rilevare poi che Zeng et al., (2014) mostrano che responsabile dell’aumentato assorbimento di CO₂ è per il 50% circa l’agricoltura, il che ne mostra l’essenziale ruolo ecosistemico: l'agricoltura infatti emette solo una piccola parte di quanto ha prima assorbito con la fotosintesi. Nello specifico, l'agricoltura ogni anno con la fotosintesi assorbe 7,5 GT di carbonio che salgono a 12 GT se si considerano anche i pascoli (Krausmann etal 2013) mentre le emissioni complessive del settore agricolo-zootecnico ammontano a 1,4 GT (Tubiello, 2015), per cui in sostanza l’agricoltura emette l’11,6% di quanto ha in precedenza assorbito.

Per completezza d’informazione è doveroso segnalare il lavoro di Lian et al. (2020), che operando sul periodo 1982-2011 hanno posto in evidenza che l’aumento di biomassa vegetale globale indotto dal global greening aumenta l'evapotraspirazione e quindi svuota più rapidamente del loro contenuto idrico i suoli, intensificando così la siccità estiva. Secondo gli autori tale fenomeno (che a mio parere non confligge affatto con la riduzione dell’indice stomatico dianzi segnalata) avrebbe come conseguenza l’aumento della frequenza e dell'intensità delle ondate di caldo estivo su varie aree del globo¹. Tali conclusioni sono in sostanziale sintonia con quelle raggiunte da Priestley (1966), il quale esaminando la temperatura massima giornaliera riportata da stazioni di osservazione poste su isole e da stazioni terrestri, concluse che se la superficie del nostro pianeta fosse tutta coperta da vegetazione ben irrigata la sua temperatura massima non potrebbe in alcun caso superare i 32 - 34 °C.

Discussione

Credo che il global greening sia un fenomeno nel suo complesso positivo e che dimostri la grande resilienza degli ecosistemi rispetto alla variazione dei forcing naturali e antropici. Il global greening peraltro ci induce a riflettere sul fatto che l’aumento dei livello atmosferici di CO₂ non ha solo risvolti apocalittici in quanto, stando ai dati di Campbell et al. (2017), in sua assenza avremmo il 31% in meno di produzione agricola, con riflessi sui livelli globali di food security che lascio ai lettori immaginare.

Concludo con una riflessione sul fatto che oggi il termine “global greening” sia poco divulgato dai media e peraltro mi fa specie che se si cerca con google il termine “global greening” si trova un’iniziativa lodevole fin che volete (si parla di Irlanda, un paese che ho nel cuore anche perché ha dato i natali a San Colombano) ma che con il fenomeno del global greening da CO₂ non ha nulla a che vedere. Siamo forse giunti alle armi di distrazione di massa

 

Nota  

¹Ma non sulla Siberia, che godrebbe dell’apporto dell’eccesso di umidità da traspirazione prodotta in Europa.

Bibliografia

Blom T.J. et al., 2002. Carbon Dioxide In Greenhouses, Omafra, Canada, http://www.omafra.gov.on.ca/english/crops/facts/00-077.htm
Campbell et al., 2017. Large historical growth in global terrestrial gross primary production, Nature, volume 544, issue 7,648, pages 84-87.
Haverd V., Smith B., Canadell J.D., Cuntz M., Mikaloff-Fletcher S., Farquhar G., Woodgate W., Briggs P.R., Trudinger C.M., 2020. Higher than expected CO2 fertilization inferred from leaf to global observations, Global change biology, 2020;26:2390–2402. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1111/gcb.14950
Helldén U. and Tottrup C., 2008. Regional desertification: A global synthesis. Global and Planetary Change 64 (2008) 169–176
Herrmann S.M., Anyambab A., Tucker C.J., 2005. Recent trends in vegetation dynamics in the African Sahel and their relationship to climate, Global Environmental Change, Volume 15, Issue 4, December 2005, Pages 394-404
Krausmann etal 2013. Global human appropriation of net primary production doubled in the 20th century, June 18, 2013 vol. 110 no. 25
Lian etal 2020. Summer soil drying exacerbated by earlier spring greening of northern vegetation, Sci.Adv.2020; 6: eaax0255, 3 January 2020
Menozzi A. e Pratologo U., 1945. Il terreno e i fertilizzanti, volume 2 dell’opera Chimica vegetale e agraria, Hoepli, Milano.
Piao et al., 2020. Characteristics, drivers and feedbacks of global greening, Nature Reviews Earth & Environment · December 2019 DOI: 10.1038/s43017-019-0001-x
Priestley, C. H. B., 1966. The limitation of temperature by evaporation in hot climates, Agric. Meteorol., 3(314), 241 – 246.
Tonzig S., Marré E., 1968. Elementi di botanica, volume primo, parte seconda, 1581 pp.
Tubiello et al., 2015. Global greenhouse gas emissions from agriculture, forestry and other land use activities: recent trends and updates Agriregionieuropa anno 11 n°41, Giu 2015
Zeng et al 2014. Agricultural Green Revolution as a driver of increasing atmospheric CO₂ seasonal amplitude, Nature, vol 5015, 20 nov. 2014,

 

 

LUIGI MARIANI

Agronomo libero professionista con lunga esperienza nella modellazione matematica dell’agroecosistema. Direttore del Museo Lombardo di Storia dell’Agricoltura e vicepresidente della Società Agraria di Lombardia, attualmente insegna Agronomia all’Università degli studi di Brescia e Storia dell’Agricoltura all’Università degli Studi di Milano, dopo essere stato a lungo docente di Agrometeorologia. Per nove anni presidente  dell'Associazione Italiana di Agrometeorologia, dal 2010 al 2018 è stato membro del RA VI - Task Team Agrometeorology della World Meteorological Organization. Membro ordinario dell'Accademia della vite e del vino e membro corrispondente dell'Accademia dei Georgofili, ha al proprio attivo oltre 400 pubblicazioni scientifiche e divulgative, di cui 86 su riviste peer review con un h index di 16.