L’attività si inserisce come ultimo step nel percorso individuato nell’esperimento 93-Scienze "Fotosintesi e scambi gassosi". Sempre in piattaforma sono presenti due esperimenti sullo stesso tema che possono essere opportunamente correlati con questa attività di laboratorio (96-Scienze "La foglia al lavoro - La fotosintesi clorofilliana" e 92-Scienze "Pigmenti fotosintetici"). È, inoltre, presente in piattaforma nella sezione "Problemi" la prova esperta validata “L’astronauta ricercatore” che potrebbe rappresentare la verifica di fine modulo.
Scheda sintetica delle attività
Il percorso può essere affrontato come attività tipicamente IBSE se sono stati eseguiti gli esperimenti citati nel riassunto e avviata con il documento "Innesco" presente negli allegati, altrimenti con un approccio metodologico di tipo “Inquiry strutturato” come riportato di seguito. Il laboratorio si propone l’individuazione del rapporto fra velocità della fotosintesi e colori della luce attraverso l’uso di lampade colorate. Contemporaneamente o in un momento precedente, è possibile individuare la relazione fra intensità della luce e velocità della fotosintesi.
Risorse necessarie
Siringhe di plastica da 50 mL con annesso tubo capillare;
acqua;
Elodea canadensis o altra pianta acquatica;
lampadine di vetro colorate (blu, rossa, gialla, verde, ecc… lampade bianche per controllo) della stessa potenza;
portalampadina;
sostegno universale (o altra strumentazione se non disponibile) per le siringhe e le lampade;
righello;
orologio o cronometro;
cartoncino nero;
carta millimetrata;
pennarelli.
Prerequisiti necessari
Saper applicare un protocollo di laboratorio;
saper lavorare con strumentazione semplice;
saper raccogliere dati e organizzarli.
Obiettivi di apprendimento
Acquisire e sperimentare il metodo scientifico (condurre esperienze di laboratorio);
saper organizzare dati e interpretarli in base a modelli noti;
costruire nuovi modelli interpretativi;
esprimere i concetti acquisiti con lessico e simbolismo appropriato;
mettere in relazione pigmenti fotosintetici, colori della luce ed efficienza del processo di fotosintesi.
Dotazioni di sicurezza
Nessuna
Svolgimento
L’attività viene introdotta dalla seguente scheda di lavoro, in modo da stimolare l’attività di ricerca seguente e da riepilogare altre esperienze pregresse.
La legge dei fattori limitanti
Questa legge afferma che, quando su un processo influiscono diversi fattori, la velocità a cui il processo si svolge è determinata dal fattore la cui disponibilità è più scarsa rispetto alla necessità.
Quali sono potenzialmente i fattori limitanti per la fotosintesi?
Quali, tra tali fattori, è probabile che siano i fattori limitanti (1) in piena notte, (2) in una giornata calda e assolata?
1. Osservate il grafico di figura 1 che rappresenta come varia la velocità della fotosintesi in funzione dell’intensità luminosa. Nella parte A del grafico, un aumento dell’intensità della luce si riflette in un aumento della velocità della fotosintesi e, viceversa, una riduzione dell’intensità della luce comporta una riduzione della velocità della fotosintesi. Ciò significa che la luce è un fattore limitante in questa parte del grafico.
La luce è un fattore limitante anche nella parte B del grafico? Perché?
Avanzate un’ipotesi circa il fattore (o i fattori) che potrebbe limitare la velocità della fotosintesi nella parte B del grafico.
Che esperimento potreste fare per verificare la vostra ipotesi, tenendo presente che dovete far variare un solo fattore alla volta?
Figura 1: grafico rappresentante la variazione della velocità della fotosintesi in funzione dell'intensità luminosa.
2. Osservate ora il grafico di figura 2 che rappresenta i risultati di 3 diversi esperimenti: P, Q e R.
Figura 2: grafico rappresentante la variazione della velocità della fotosintesi in funzione dell'intensità luminosa, a diverse temperature e concentrazioni di anidride carbonica.
Quale fattore è stato fatto variare in tutti e tre gli esperimenti?
3. Considerate prima le curve P e Q.
In che cosa differiscono?
La modifica di quale fattore ha provocato tale differenza?
Che cosa vi dice questo fatto circa il fattore limitante, o i fattori limitanti, per la velocità della fotosintesi nel tratto AB e nel tratto BC della curva P?
4. Confrontate ora le curve Q e R.
La modifica di quale fattore ha provocato la differenza tra queste due curve?
Che cosa vi dice questo fatto circa il fattore limitante, o i fattori limitanti, per la velocità della fotosintesi nel tratto AB e nel tratto BC della curva R?
Perché le tre curve assumono un andamento orizzontale in corrispondenza di diversi valori dell’intensità della luce?
5. Spesso i floricoltori usano nelle loro serre luci artificiali ed elementi riscaldanti e arricchiscono di anidride carbonica l’aria all’interno della serra.
Sapreste proporre un modo mediante il quale i floricoltori possono allo stesso tempo riscaldare una serra e accrescerne il livello di anidride carbonica?
Sapreste dire perché un investimento in uno solo dei tre suddetti sistemi sarebbe un modo antieconomico di cercare di incrementare la crescita delle piante coltivate in serra?
Sarebbe possibile usare qualcuno di questi sistemi per incrementare la crescita delle piante coltivate all’aperto?
Esperimento
Sai che la luce bianca fatta passare attraverso un prisma si scompone in diversi colori, corrispondenti ad una diversa lunghezza d'onda della radiazione luminosa cui compete una diversa energia. L’attività seguente si propone di valutare la velocità della fotosintesi in funzione dei diversi colori della luce.
Inserire in ogni siringa un rametto di Elodea (figura 3);
Riempire la siringa di acqua stando attenti che al suo interno non vi siano bolle di aria (figura 3);
Muovendo opportunamente lo stantuffo fare in modo che una bolla d’aria sia inserita alla base di essa, dove il tubo capillare si inserisce al posto dell’ago. La bolla verrà spinta in basso dalla produzione di gas da parte della pianta (figura 3);
Figura 3: immagine che illustra schematicamente le prime fasi del procedimento.
Segnare sul tubo capillare con un pennarello la posizione della bolla all'istante iniziale t=0 (figura 4);
Inserire sul sostegno universale la siringa e la lampada colorata (figura 4);
Per cercare di evitare il più possibile (non lo sarà in assoluto) l’interferenza di altre fonti di luce, riparare l’allestimento con cartoncino nero (figura 4);
Controllare che la luce del laboratorio (il più possibile bassa) sia uguale per tutti gli allestimenti (uno per colore di lampada);
Dopo aver preparato sul quaderno una tabella “spazio percorso/ tempo” per raccogliere i dati (figura 5), accendere la lampadina e far partire il segnatempo;
Misurare ogni minuto con il righello lo spazio percorso dalla bolla (figura 4);
Quando la bolla è arrivata alla fine del tubicino spegnere la lampada;
Riportare su assi cartesiani lo spazio percorso in funzione del tempo per tutte le lampadine utilizzando pennarelli del colore delle stesse (figura 5).
Figura 4: allestimento dell'esperimento
Figura 5: Grafico "spazio percorso/tempo" di dati provenienti dall'uso di lampadine di diverso colore e confronto tra tutti i colori.
Interpretazione dei risultati
Domande guida per interpretare i risultati:
Di che colore è la lampadina che ha fatto registrare una velocità maggiore del processo? Metti in ordine i colori della luce, dal più efficace nel velocizzare il processo al meno efficace;
Ricordando i risultati dell’esperimento sulla cromatografia dell’estratto fogliare o cercando in internet lo spettro di assorbimento della clorofilla e di altri pigmenti fogliari, fornisci un’interpretazione dei risultati;
Confronta la tua ipotesi interpretativa con quella dei tuoi compagni;
Approfondisci sul tuo libro di testo, o su testi ricavati dalle tue ricerche, il processo della fotosintesi. Quello che hai appreso conferma le tue ipotesi?
Confronta i risultati ottenuti con le lampade blu e rossa con lo spettro di fluorescenza della clorofilla. Quali interpretazioni o piste di ricerca puoi trarne?
Analisi di un brano Per interpretare al meglio i risultati, analizza il brano e l’immagine sottostanti, tratti da
“Un fluorimetro e turbidimetro low-cost per l'analisi qualitativa dell'acqua marina” di Filippo Attivissimo, Carlo Guarnieri Calò Carducci, Giuseppe Cavone, Anna Maria Luisa Lanzolla (Dip. di Ingegneria Elettrica e dell’Informazione, Politecnico di Bari).
Per misurare la concentrazione delle molecole di clorofilla viene adottato il metodo fluorimetrico che "....si basa su un effetto quantistico (figura 6) in cui, a causa della luce incidente, un fotone con energia E2, corrispondente ad una lunghezza d’onda pari a 440 nm (regione blu), viene assorbito grazie alla particolare struttura chimica della.....clorofilla A, causando la transizione di un elettrone dal livello fondamentale E0 al livello eccitato E2. In seguito questo elettrone termalizza, dissipa cioè parte della sua energia sotto forma di calore oppure in processi chimici, passando ad un livello energetico ... E1, dal quale può infine decadere al livello fondamentale accompagnato dall’emissione di un nuovo fotone con energia inferiore e lunghezza d’onda superiore, tipicamente pari a 680 nm (regione del rosso). Gli spettri di assorbimento ed emissione per fluorescenza (figura 6), i cui picchi sono separati da una distanza nota in letteratura come Stokes shift, sono alla base del principio di misura: irradiando le molecole di clorofilla-A con luce blu, queste risponderanno allo stimolo riemettendo luce rossa, la cui intensità, per basse concentrazioni, risulta essere direttamente proporzionale alla concentrazione di molecole." Figura 6: descrizione della dinamica della fluorescenza (sinistra), spettro di assorbimento ed emissione della clorofilla-A (destra).
Prendendo in considerazione quanto emerso dall'interpretazione dei grafici della scheda sui fattori limitanti la fotosintesi, sapresti formulare un'ipotesi sull'andamento del grafico relativo all'utilizzo delle lampade bianche?
Quale esperimento potresti allestire per verificarla?
Produci una relazione che spieghi in modo esaustivo l’esperimento e la sua interpretazione.
Note e storia
L'esperienza fa parte del corso di formazione Scienza in gioco realizzato dal Liceo Scientifico Statale "Arturo Tosi" " di Busto Arsizio a seguito dell'aggiudicazione del bando "Nuove idee per la didattica laboratoriale".
