Come le piante bevono e si nutrono

Una pianta non ha bocca, ma beve e mangia di continuo. Beve acqua dal terreno con le radici e prende dal suolo anche i «sali minerali», cioè le sostanze di cui ha bisogno per crescere. In questa pagina vediamo, passo dopo passo, come fa. Le parole tecniche sono spiegate man mano; in fondo c’è un piccolo dizionario.

1. A che cosa serve l’acqua

Per tutti gli esseri viventi l’acqua è indispensabile, e per tre motivi.

• Scioglie le sostanze. Come lo zucchero nel caffè, i sali minerali e molte altre sostanze si sciolgono nell’acqua e così possono muoversi e agire. Si dice che l’acqua è un solvente.
• Partecipa alle reazioni chimiche. Nella fotosintesi, per esempio, l’acqua è uno degli «ingredienti» con cui la foglia prepara il proprio nutrimento.
• Fa da mezzo di trasporto. Come un fiume porta con sé foglie e rametti, l’acqua porta i sali minerali dalle radici fino alle foglie, anche a molti metri di distanza.

Le piante di terra hanno le radici nel suolo, che contiene più o meno acqua. Da lì la pianta ne pesca quanta ne serve per rimpiazzare quella che perde dalle foglie. Questa perdita si chiama traspirazione: è un po’ come il sudore per noi, un vapore d’acqua che esce dalla pianta.

2. Quanta acqua beve una pianta

Se la traspirazione non avesse freni, una pianta si seccherebbe in fretta. Per questo le piante di terra hanno inventato dei sistemi di protezione.

L’impermeabile della pianta

La superficie di foglie, fusti e rami è rivestita da uno strato impermeabile fatto di tre sostanze: la cutina, la suberina e le cere. Funziona come un giaccone cerato: l’acqua non lo attraversa. Lo vedi bene sulle foglie lucide dell’alloro o sulla buccia di una mela, che ha una patina di cera.

Le «finestrelle» regolabili

Una pianta, però, non può chiudersi del tutto: le servono gli scambi con l’aria, per assorbire anidride carbonica (con cui fa la fotosintesi) e per respirare. Lo fa attraverso minuscole aperture che può aprire e chiudere:

• gli stomi, sulle foglie e sui giovani fusti verdi (sono così piccoli che ne servono molte centinaia per riempire un millimetro quadrato);
• le lenticelle, sui fusti legnosi, che si vedono come puntini o piccole righe sulla corteccia di un ciliegio.

Quando fa molto caldo e il terreno è secco, la pianta chiude gli stomi per risparmiare acqua.

Qualche numero

Per misurare quanta acqua assorbe una pianta si usa uno strumento chiamato potometro. Si inserisce un rametto con le foglie in un tubo a U pieno d’acqua, sigillato in modo che non entri aria. Il rametto beve e il livello dell’acqua scende lungo una pipetta graduata, come quando si beve con la cannuccia da un bicchiere: leggendo di quanto è sceso in un certo tempo si sa quanto ha bevuto.

3. Le piante e il viaggio dell’acqua

L’acqua della Terra compie un giro continuo: cade come pioggia, entra nel suolo, scorre, evapora e torna nell’aria. Le piante si inseriscono in questo giro in molti modi, con le foglie e il fusto sopra il suolo e con le radici sotto. Così influenzano la vita di tutti gli esseri viventi del luogo e anche la solidità del terreno.

Quattro parole da conoscere, con un esempio per ciascuna:

Evaporazione

L’acqua liquida diventa vapore. Succede alla pozzanghera al sole o al bucato steso. È più veloce con il sole forte, il caldo, l’aria secca e il vento.

Traspirazione

È l’evaporazione che passa dalla pianta: l’acqua bevuta dalle radici esce come vapore dagli stomi delle foglie e dei fusti.

Intercettazione

Durante e dopo un temporale, una parte dell’acqua resta sulle foglie, sui rami e sul tronco e da lì evapora senza arrivare a terra. Sotto un grande albero, all’inizio della pioggia, ci si bagna meno. Si esprime spesso in percentuale sulla pioggia di un anno.

Evapotraspirazione

È il totale: l’acqua che evapora dal suolo e quella che le piante traspirano, comprese le gocce intercettate dalle foglie.

4. Che cosa cambia all’ombra degli alberi

Le chiome degli alberi sono come un grande ombrellone: fanno ombra, abbassano la temperatura e frenano il vento sotto di sé. Il vapore acqueo resta intrappolato tra le foglie e l’aria sotto gli alberi diventa più umida. In un bosco fa più fresco e c’è più umidità che fuori.

Le piante a cui piace l’umidità si chiamano igrofile (dal greco: «che amano l’acqua»). Le felci e i muschi sono tipici esempi: li trovi più facilmente all’ombra di un bosco che su un prato assolato.

Il suolo che si spacca

Dove il sole batte forte sul terreno, l’acqua evapora in fretta. Se il terreno è argilloso, succede quello che vedi in una pozzanghera di fango che si asciuga: la superficie si contrae e si riempie di crepe. Sotto gli alberi l’evaporazione è più lenta e il terreno si spacca meno.

Il suolo che diventa salato

Nell’acqua del suolo sono sciolti dei sali. Quando l’acqua evapora, sale in superficie e se ne va come vapore, ma i sali restano lì. È lo stesso effetto del calcare che si deposita sul fondo di un pentolino o su un rubinetto: l’acqua se ne va, la crosta bianca rimane. Così, dove c’è molta evaporazione, la superficie del terreno può diventare troppo salata perché le piante ci crescano.

Quando però arrivano arbusti e alberi, l’ombra riduce l’evaporazione e, con il tempo, il suolo diventa meno salato. Nelle oasi del Nord Africa si coltivano ortaggi e cereali all’ombra delle palme da dattero (Phoenix dactylifera): la chioma protegge le colture dal sole e dall’aria secca.

5. Perché l’acqua sale fino alle foglie

Nella pianta c’è un flusso continuo che va dal suolo all’aria, passando per la radice, il fusto e le foglie. Gli studiosi lo chiamano continuum suolo – pianta – atmosfera: «continuum» perché è una catena senza interruzioni, come un unico filo d’acqua dal terreno fino alle foglie.

Ma che cosa spinge l’acqua da un punto all’altro? Una grandezza che si chiama potenziale idrico.

Il potenziale idrico: una specie di «sete»

L’acqua si sposta sempre da dove ce n’è «in abbondanza e liberamente» a dove ce n’è meno a disposizione, cioè dove c’è più «sete». Tre esempi di tutti i giorni:

• La melanzana col sale. Se cospargi di sale le fette di melanzana, dopo un po’ compaiono goccioline d’acqua: il sale «richiama» l’acqua dalle cellule. È un fenomeno che si chiama osmosi: l’acqua attraversa una pellicola sottilissima per andare verso la parte più salata.
• L’insalata moscia. Un’insalata appassita, messa in acqua fredda, torna croccante: le sue cellule si riempiono e premono contro le pareti, come un palloncino gonfiato. Questa pressione interna si chiama turgore.
• Lo straccio. Uno straccio asciutto appoggiato sull’acqua la risucchia verso di sé: la sua «sete» è maggiore di quella della pozzanghera.

I tecnici indicano il potenziale idrico con la lettera greca Ψ (si legge «psi») e con una piccola w (da water, acqua): Ψ_w. In una cellula vegetale lo si può pensare come la somma di due effetti:

• L’effetto dei sali (potenziale osmotico) è sempre negativo: più sali ci sono, più la cellula «richiama» acqua.
• L’effetto della pressione (potenziale di pressione) può essere positivo, come nel turgore di una cellula piena, o negativo, come dentro i vasi che portano l’acqua nelle piante che traspirano.

La regola da ricordare è una sola: l’acqua va dal punto con potenziale più alto (meno «sete») a quello con potenziale più basso (più «sete»). In una pianta il punto più «assetato» è l’aria secca attorno alle foglie, e questo fa muovere tutta la catena: suolo → radice → fusto → foglia → aria.

Di giorno «si tira», di notte «si spinge»

• Di giorno il sole fa traspirare le foglie. Ogni goccia che esce richiama dal basso altra acqua, come quando si beve con una cannuccia. L’acqua nei vasi, che si chiamano xilema, è quindi «tirata» verso l’alto e si trova a una pressione negativa.
• Di notte le foglie quasi non traspirano. Le radici però continuano ad assorbire acqua, aiutate dalle forze osmotiche e dal lavoro delle membrane, e la spingono un po’ in alto. In certe mattine, sul bordo delle foglie d’erba, si vedono goccioline: sono acqua spinta fuori dalla pianta durante la notte, e non rugiada (guttazione).

Quanto è veloce la risalita

I vasi che portano l’acqua sono come tubi: più sono larghi, meno resistenza oppongono. Per questo la velocità cambia molto da pianta a pianta.

Anche i valori più bassi sono rapidi: 1,2 metri all’ora vuol dire che l’acqua risale di circa 2 centimetri al minuto.

6. Che cosa succede dentro la radice

L’acqua entra nella radice e cammina verso il centro, dove ci sono i vasi che la porteranno in su: questo centro si chiama stele. Ma non entra dappertutto allo stesso modo.

• I peli radicali. Vicino alla punta della radice ci sono migliaia di sottilissimi peli, che somigliano ai ricci di un asciugamano di spugna. Servono a moltiplicare la superficie a contatto con il terreno: più superficie vuol dire più acqua assorbita. Per questo la zona con i peli è quella che assorbe di più.
• Le punte sono le più attive. Più ci si allontana dalla punta, risalendo lungo la radice, meno acqua viene assorbita (e meno sali minerali).
• La velocità dipende da due cose: da quanta superficie c’è a disposizione e da quanto è grande la differenza di «sete» (potenziale idrico) tra il suolo e l’interno della radice.

Due strade e un posto di controllo

Immagina la radice come un edificio fatto di tanti mattoni, le cellule. L’acqua può arrivare al centro in due modi:

• Per la via dell’apoplasto (apoplastica): passa tra le pareti delle cellule, come chi cammina nelle fessure tra i mattoni senza mai entrare nelle stanze.
• Per la via del simplasto (simplastica): entra dentro le cellule e passa da una all’altra attraverso minuscoli passaggi, i plasmodesmi, come chi attraversa le stanze usando le porte che le collegano.

A un certo punto, però, c’è un posto di controllo: la banda del Caspary. È una fascia impermeabile (fatta soprattutto di suberina) che sigilla le pareti delle cellule dell’endoderma, lo strato che circonda la stele. Chi viaggiava nelle fessure deve fermarsi, entrare in una cellula e attraversare la sua membrana, che funziona come una dogana: lascia passare certe sostanze e ne blocca altre.

7. I sali minerali: come entrano

I «nutrienti» della pianta sono sostanze semplici, come l’azoto, il potassio, il calcio, il magnesio. Non sono veri «cibi»: la pianta il suo cibo (gli zuccheri) se lo fabbrica da sola con la luce. Le servono però come mattoni e come attrezzi per costruire le proprie parti e far funzionare le sue cellule.

Si trovano sciolti nell’acqua del suolo sotto forma di ioni: particelle piccolissime con una carica elettrica, positiva (come K⁺, potassio) o negativa (come NO₃⁻, nitrato). Il segno e il numero in alto indicano la carica.

Il percorso

• Gli ioni sono trasportati dall’acqua che si muove nel terreno e arrivano vicino ai peli radicali.
• Le radici, a loro volta, rilasciano nel terreno alcune sostanze, tra cui acidi organici (come l’acido malico, lo stesso della mela) e fenoli. Servono ad «aprire» certi sali minerali rimasti bloccati e a renderli utilizzabili.
• Gli ioni entrano nei peli radicali insieme all’acqua oppure scorrono tra le pareti delle cellule della corteccia. Poi, arrivati alla banda del Caspary, devono passare per le cellule.
• Infine vengono immessi nello xilema e salgono fino alla chioma.

Per semplificare, si dice che alcuni ioni importanti, come il potassio, il magnesio, il cloro e il nitrato, entrano facilmente dai peli radicali, mentre il calcio, il boro, il silicio e, in parte, il sodio camminano prima tra le pareti e vengono poi «costretti» dalla banda del Caspary a entrare nelle cellule.

La dogana della cellula e il trasporto attivo

La membrana che avvolge ogni cellula sceglie che cosa far entrare: è selettiva, come un buttafuori che lascia passare solo alcune persone. Inoltre la cellula può far entrare certe sostanze anche quando ce n’è già di più dentro che fuori. Per riuscirci consuma energia, come una pompa che sposta acqua in salita. Questo meccanismo si chiama trasporto attivo. Grazie a lui la pianta riesce a «raccogliere» anche quei pochi sali presenti nel terreno e a immagazzinarli.

Capita infine che alcuni composti di alluminio, calcio e silicio si «cristallizzino» e restino depositati tra le pareti o dentro le cellule, nei vacuoli, che sono come piccoli magazzini interni.

8. Come nasce un suolo

Il suolo non è semplice terra: è un materiale vivo, che si forma in tempi lunghissimi, spesso centinaia o migliaia di anni. Il processo si chiama pedogenesi (dal greco: «nascita del suolo»). Ci lavorano insieme:

• La roccia di partenza, detta roccia madre: il suolo comincia dalle sue briciole. Un suolo nato dal calcare è diverso da uno nato dal granito.
• L’acqua. Scioglie e sgretola la roccia, e trasporta verso il basso le sostanze disciolte. È l’acqua che ordina il suolo in strati.
• Il clima. Pioggia e temperatura sono decisive: con più acqua e più caldo, i microbi lavorano di più e i minerali si alterano più in fretta, come in un cumulo di compost che d’estate «scalda» e si decompone più rapidamente che d’inverno.
• Il pendio. Su un versante ripido l’acqua scorre via senza penetrare, e la pioggia porta a valle i detriti, come quando si lava via un castello di sabbia: restano suoli sottili e poco sviluppati. Dove il terreno è meno inclinato, il suolo può diventare profondo.
• I decompositori (batteri, funghi, lombrichi): sono i «riciclatori» della natura. Trasformano foglie e resti in sostanze minerali: questo processo si chiama mineralizzazione.
• I batteri azotofissatori, che catturano l’azoto dell’aria e lo rendono utilizzabile (ne parliamo più avanti).

Un suolo si dice maturo quando, se le condizioni non cambiano, smette di trasformarsi.

9. Il suolo a strati

Se scavi una buca profonda, vedi che il terreno non è uguale dall’alto al basso: si distinguono delle fasce di colore e di consistenza diverse. Queste fasce si chiamano orizzonti e la loro successione dall’alto al basso è il profilo del suolo. Studiare gli orizzonti permette di ricostruire la storia di un suolo, come leggere gli strati di una torta tagliata a metà.

Gli orizzonti sono indicati con lettere maiuscole. Dall’alto verso il basso, in un suolo completo:

• OIl tappeto di foglie. È la lettiera: foglie cadute, rametti e resti organici. Si divide in O₁ (foglie ancora intere, riconoscibili a occhio nudo) e O₂ (resti già in decomposizione, non più riconoscibili). È quello che calpesti passeggiando in un bosco in autunno.
• ALa terra scura. Qui sostanza organica decomposta, l’humus, si mescola ai minerali. È di solito bruno scuro ed è la terra «buona» dell’orto, ricca di radici e di vita.
• ELo strato «lavato». Colore grigio cenere. L’acqua che scende porta via da qui argilla, ferro, alluminio e sostanza organica: si dice eluviazione. Restano i granellini poco alterabili, come il quarzo. È come il caffè in una moka già usata: ciò che aveva di buono è stato portato via.
• BLo strato dove si accumula. Quello che l’acqua ha portato giù dagli strati superiori (argilla, ossidi di ferro, sostanze organiche) si deposita qui, come il sedimento sul fondo di un bicchiere. I minerali sono più alterati rispetto allo strato sottostante. Ci sono vari tipi di orizzonte B, secondo il processo che li ha formati (per esempio «cambico» o «argillico»).
• CLa roccia sbriciolata. Il materiale roccioso rotto soprattutto da fenomeni fisici (gelo, sbalzi di temperatura, radici), ancora quasi uguale alla roccia da cui deriva, in genere sciolto o poco compatto.
• RLa roccia madre. La roccia ancora intera, non alterata. L’acqua la attraversa solo attraverso le fratture.

I suoli appena nati

Quando un suolo è agli inizi, l’alterazione chimica è ancora debole e la roccia si limita a sgretolarsi. In questo caso si parla di litosuolo se deriva da roccia dura (come calcare o granito) e di regosuolo se deriva da materiali sciolti (come sabbie e argille).

10. I tanti tipi di suolo

Come si classificano le piante in famiglie, anche i suoli sono raggruppati in classi. Una delle classificazioni più usate è quella della FAO (la sigla inglese dell’Organizzazione delle Nazioni Unite per l’alimentazione e l’agricoltura) e dell’UNESCO (l’Organizzazione delle Nazioni Unite per l’educazione, la scienza e la cultura), del 1990. I nomi possono sembrare difficili, ma spesso contengono un indizio: fluvi- viene dal latino per «fiume», gley- da una parola russa per «terra fangosa e umida», leptos dal greco per «sottile», vertere dal latino per «rivoltare».

11. L’azoto, ingrediente della vita

L’azoto (simbolo chimico N) è uno degli elementi più importanti per gli esseri viventi. Lo troviamo:

• negli amminoacidi, i «mattoncini» con cui si costruiscono le proteine, come quelle dei muscoli e degli enzimi;
• nelle basi azotate, le «lettere» del DNA (acido desossiribonucleico) e dell’RNA (acido ribonucleico), le molecole che portano le istruzioni genetiche;
• nella clorofilla, il pigmento verde con cui le foglie catturano la luce.

Nelle molecole organiche l’azoto si lega ad altri atomi in alcune forme tipiche, che i chimici chiamano gruppo amminico, gruppo ammidico e gruppo imminico. Non serve ricordare i nomi: basta sapere che sono i diversi «modi» in cui l’azoto si lega al carbonio e all’idrogeno. Queste forme permettono alle proteine e agli acidi nucleici di avere la loro forma tridimensionale, perché l’azoto crea i legami idrogeno, una specie di «colla debole» che tiene insieme le parti delle molecole. Nei disegni, R, R′ e R″ rappresentano il resto della molecola.

Anelli che trattengono i metalli

L’azoto si trova anche in anelli di cinque atomi, il pirrolo e l’imidazolo. Queste molecole sono come piccole pinze: possono afferrare atomi di metalli, come il ferro, il magnesio e il manganese, e tenerli al loro posto.

Quattro anelli di pirrolo uniti formano un anello tetrapirrolico (dal greco «quattro»), cioè una porfirina. Al centro di questo anello c’è un atomo di metallo trattenuto dai quattro atomi di azoto:

• nella clorofilla, il metallo è il magnesio: senza magnesio la foglia non sarebbe verde;
• nell’emoglobina, la molecola che trasporta l’ossigeno nel nostro sangue, il metallo è il ferro, che dà al sangue il colore rosso.

12. Il giro dell’azoto

L’aria che respiriamo è fatta per il 78% circa di azoto (N₂), ma le piante non possono usarlo così com’è, come se avessero un magazzino pieno di cibo chiuso a chiave. Per aprirlo servono dei piccoli microrganismi. Il percorso dell’azoto tra aria, suolo e esseri viventi si chiama ciclo biogeochimico dell’azoto.

La storia si può raccontare così: l’azoto dell’aria viene «agganciato» da certi batteri e trasformato in ammonio; altri batteri lo trasformano in nitrito e poi in nitrato, che le radici possono assorbire; la pianta lo incorpora nelle sue proteine; quando la pianta o l’animale che l’ha mangiata muoiono, i decompositori restituiscono ammonio al suolo; infine altri batteri riportano una parte dell’azoto nell’aria, e il giro ricomincia.

azoto dell’aria → ammonio → nitrito → nitrato → azoto dell’aria

13. In breve

• L’acqua scioglie le sostanze, partecipa alle reazioni chimiche e trasporta i sali minerali. La pianta la beve con le radici e ne perde molta dalle foglie, attraverso gli stomi.
• Un rivestimento impermeabile (cutina, suberina, cere) la protegge dal disseccamento, come un giaccone cerato.
• L’acqua va dai punti con meno «sete» a quelli con più «sete» (dal potenziale idrico più alto al più basso): per questo sale dal suolo fino all’aria, passando per radici, fusto e foglie.
• Di giorno la traspirazione «tira» l’acqua verso l’alto come una cannuccia; di notte la spingono le radici.
• Nella radice acqua e sali viaggiano tra le pareti o dentro le cellule. La banda del Caspary è una dogana: obbliga a passare per le cellule, che scelgono che cosa far entrare.
• Gli alberi e gli arbusti fanno ombra, riducono l’evaporazione, tengono il suolo umido e meno salato, e permettono la vita di felci e muschi.
• Un suolo nasce da roccia, acqua, clima, pendio e organismi, e si legge nei suoi strati: O, A, E, B, C, R.
• L’azoto è un elemento essenziale (proteine, DNA, clorofilla) e circola tra aria, suolo e viventi grazie a batteri specializzati.

14. Piccolo dizionario

Sigle e simboli

FAO

Organizzazione delle Nazioni Unite per l’alimentazione e l’agricoltura (dall’inglese Food and Agriculture Organization).

UNESCO

Organizzazione delle Nazioni Unite per l’educazione, la scienza e la cultura (dall’inglese United Nations Educational, Scientific and Cultural Organization).

WRB

La classificazione internazionale dei suoli più recente (World Reference Base for Soil Resources).

DNA e RNA

Acido desossiribonucleico e acido ribonucleico: le molecole che conservano e usano le informazioni genetiche.

Ψ (psi)

Lettera greca usata dai fisiologi per indicare il «potenziale». Ψ_w è il potenziale idrico (w da water, acqua).

Simboli chimici

N azoto, K potassio, Mg magnesio, Ca calcio, Na sodio, Cl cloro, B boro, Si silicio, Fe ferro, Al alluminio, Mn manganese. Il numero e il segno in alto indicano la carica: K⁺ ha una carica positiva, Mg²⁺ due, NO₃⁻ una negativa.

N₂, NH₄⁺, NO₂⁻, NO₃⁻

Azoto molecolare (quello dell’aria), ammonio, nitrito e nitrato.

Termini

Apoplasto

L’insieme delle pareti delle cellule e degli spazi tra loro: la «rete di fessure» in cui l’acqua scorre senza entrare nelle cellule.

Simplasto

L’insieme degli interni delle cellule, collegati tra loro da piccoli passaggi (i plasmodesmi).

Banda del Caspary

Fascia impermeabile sulle pareti dell’endoderma che obbliga acqua e sali a passare dentro le cellule.

Endoderma

Lo strato di cellule che avvolge il centro della radice (la stele).

Eluviazione

Il trasporto verso il basso, a opera dell’acqua, di argilla, ferro e sostanza organica da uno strato di suolo a un altro. Il loro accumulo nello strato sottostante si chiama illuviazione.

Humus

La sostanza organica scura e stabile che si forma dalla decomposizione di foglie e resti.

Idromorfia

La condizione di un suolo in cui l’acqua ristagna a lungo, con colori grigiastri o macchiati.

Igrofilo

Che ama l’umidità.

Ione

Una particella piccolissima con carica elettrica, che si trova disciolta in acqua.

Mineralizzazione

La trasformazione della sostanza organica (foglie, resti) in sostanze minerali, a opera dei decompositori.

Osmosi

Il passaggio dell’acqua attraverso una membrana sottilissima verso la parte più ricca di sostanze disciolte.

Plintite

Impasto di argilla ricco di ferro che si indurisce in modo irreversibile quando si bagna e si asciuga più volte.

Saturazione in basi

La quota di «posti» del suolo occupata da sostanze utili alle piante come calcio, magnesio, potassio e sodio.

Stele

Il cilindro centrale della radice, dove si trovano i vasi che portano l’acqua verso l’alto.

Tessitura

La proporzione di sabbia, limo e argilla in un suolo.

Turgore

La pressione dell’acqua dentro le cellule, che tiene turgidi (rigidi) i tessuti: quando manca, la pianta appassisce.

Xilema

L’insieme dei vasi che portano acqua e sali minerali dalle radici alle foglie.

Il testo è stato rielaborato partendo da una pubblicazione a cura di E-learning Università degli Studi di Teramo.