Fino a una decina di anni fa, fra i ricercatori era condivisa l’idea che la fotosintesi utilizzasse esclusivamente lunghezze d’onda presenti nello spettro del visibile, tra i 400 e i 700 nm. Si riteneva che frequenze al di fuori di questo intervallo fossero troppo poco energetiche per sostenere un processo fotosintetico. Ma dove la luce è scarsa, la questione si complica.

Negli ultimi anni, microalghe verdi del genere Ostreobium, l’alveolato Chromera velia, la diatomea marina Phaeodactylum tricornutum, cianobatteri come Halomicronema hongdechloris e Acaryochloris marina — specie che vivono in habitat ombreggiati e poveri di luce — hanno contribuito a cambiare prospettiva, mostrando che alcuni organismi fotosintetici possono sfruttare anche radiazioni oltre il visibile. Su questo sfondo si inserisce ora un nuovo studio apparso su New Phytologist dedicato a Nannochloropsis gaditana, microalga marina che, in condizioni sperimentali, si è dimostrata capace di crescere anche affidandosi alla sola luce far-red, cioè alla luce del rosso lontano, appena oltre il limite del visibile.

La possibilità di estendere la fotosintesi oltre il visibile, nel cosiddetto extended PAR (Photosynthetically Active Radiation estesa), è oggi dimostrata e pienamente considerata. Come spiega Nicoletta La Rocca, docente del Dipartimento di Biologia dell’Università di Padova e fra le autrici del lavoro, si tratta di un tema oggi “argomentato in qualsiasi congresso dove si parli di fotosintesi”.

Tuttavia potrebbero essere molte le specie non ancora osservate che utilizzano meccanismi di adattamento oltre il visibile e, tra quelle già identificate, particolare attenzione merita la diversità delle strategie con cui si adattano a condizioni estreme.

Per comprendere meglio questa varietà è opportuno chiarire quali modifiche del processo fotosintetico siano state osservate fino a oggi. Alcuni cianobatteri, come Halomicronema hongdechloris e Acaryochloris marina, sono in grado di sintetizzare clorofille con picchi di assorbimento differenti rispetto alla comune clorofilla: pigmenti, cioè molecole capaci di captare determinate frequenze. Oppure alcune microalghe, come quelle appartenenti al genere Ostreobium, sono in grado di modificare proteine associate alla clorofilla: proteine antenna presenti nei fotosistemi che hanno la capacità di captare specifiche lunghezze d’onda. Queste proteine possono modificarsi in forma e numero per intercettare più efficacemente precise lunghezze d’onda.

L’architettura che cattura la luce

In questo quadro, Nannochloropsis gaditana sorprende perché adotta un sistema di adattamento mai osservato prima. Lo studio mostra infatti che questa microalga non cresce sotto luce far-red producendo nuovi pigmenti o spostando in modo evidente l’assorbimento della clorofilla, come osservato in altri organismi, ma attraverso una riorganizzazione strutturale del cloroplasto e dei tilacoidi.

Oltre a ribilanciare i rapporti quantitativi tra clorofilla e carotenoidi e tra i due fotosistemi, la microalga riorganizza strutturalmente i tilacoidi, formando pile molto più estese. Al microscopio elettronico si osservano inoltre bande tra le membrane: nuove strutture che il gruppo di ricerca ha battezzato “corpi tilacoidali” e che potrebbero avere una funzione di ancoraggio delle membrane.

L’ipotesi è che questa riorganizzazione delle membrane tilacoidali aumenti il fenomeno di scattering, cioè la diffusione della radiazione all’interno del sistema di membrane, aumentando la probabilità che vengano intercettate lunghezze d’onda attorno ai 700 nm, nel far-red.

N. gaditana possiede dunque una capacità intrinseca di assorbire luce a quelle lunghezze d’onda. Attraverso la riorganizzazione strutturale aumenta la capacità di utilizzare in maniera adeguata l’energia contenuta nella radiazione catturata, permettendo il fisiologico processo di fotosintesi.

Dal passato al futuro: dall’evoluzione alle applicazioni

Il risultato è interessante non solo per capire meglio come alcune microalghe sfruttino condizioni luminose estreme, ma anche perché riporta l’attenzione sulla storia evolutiva della fotosintesi e sulla grande varietà di strategie sviluppate nel tempo dagli organismi fotosintetici.

Spiega la prof.ssa La Rocca:

“Il processo fotosintetico si è evoluto partendo dai cianobatteri, che sono stati i primi a effettuare la fotosintesi producendo ossigeno e determinando il grande evento di ossigenazione del nostro pianeta. Nel processo di evoluzione hanno prodotto una serie infinita di strategie di adattamento inerenti soprattutto i complessi antenna, cioè pigmenti e proteine differenti che sono in grado di captare lunghezze d’onda differenti.”

La fotosintesi a clorofilla f, un pigmento fotosintetico scoperto di recente, è una prima forma di fotosintesi oggi conservata nei cianobatteri FaRLiP (far-red light photoacclimation), un gruppo specializzato di cianobatteri in grado di adattarsi a condizioni di luce con lunghezza d’onda far-red. Questi cianobatteri si sono evoluti per fare fotosintesi ossigenica, ma in un momento in cui l’atmosfera era caratterizzata da CO₂, azoto e metano. Non c’era ossigeno, non c’era lo scudo dell’ozono, non c’era lo scudo agli ultravioletti, quindi questi organismi non si sono esposti direttamente alla luce solare, ma probabilmente si sono adattati a vivere nei sedimenti, ambienti ricchi di luce far-red. In seguito all’ossigenazione dell’atmosfera e ai cambiamenti conseguenti, alcuni organismi hanno probabilmente iniziato ad utilizzare la luce solare a lunghezze d’onda più energetiche e più efficienti. Oggi questo tipo di adattamento con utilizzo di clorofilla f lo possiamo osservare solo nei cianobatteri, ma alghe e piante hanno sviluppato altre strategie.

Nelle alghe è evidente una grandissima varietà di strategie per catturare la luce, dalla simbiosi alla biodiversità dei complessi antenna. Di fatto, le alghe occupano tante nicchie ecologiche molto diverse tra loro, con qualità e quantità di luce molto differenti. Si pensi ad esempio alla zona costiera, dove la qualità di luce che penetra è rossa o rosso lontano, mentre in profondità negli oceani penetra maggiormente il blu.

Nelle piante, invece, si può osservare l’effetto Emerson: la luce far-red, insieme alla luce visibile, può aumentare l’efficienza della fotosintesi. Anche questo mostra come, nel corso dell’evoluzione, gli organismi fotosintetici abbiano sviluppato modi diversi di sfruttare le diverse componenti della luce: le piante hanno perso la capacità di utilizzare far-red, ma ci sono studi che dimostrano un aumento della produttività se oltre al visibile possono assorbire anche quella lunghezza d’onda. Quando questa possibilità viene esclusa, mantenendo l’esposizione esclusivamente nel visibile, la produttività diminuisce.

Le piante, a differenza dei cianobatteri e di microalghe, non possono crescere con la sola luce far-red, ma esiste qualche meccanismo in grado di sfruttarla.

Spiega la scienziata: “Ad oggi quello che si vorrebbe tentare è di inserire i geni responsabili della sintesi di pigmenti e proteine che assorbano nel far-red per aumentare le potenzialità di utilizzo dei fotoni e aumentare la produzione di biomassa.”

Alla ricerca di nuova luce

I dati pubblicati da questo studio ci dicono che l’extended PAR ha un peso nella fotosintesi e che non è relegato a poche specie con adattamenti bizzarri. Fino ad adesso è stato poco valutato perché gli esperimenti svolti fino ad oggi utilizzano LED o neon privi di luce far-red, e probabilmente il suo utilizzo è più diffuso di quello che si possa pensare.

Come spiega La Rocca:

“È difficile da osservare in adattamenti come quello di N. gaditana perché non presenta shift delle clorofille o delle proteine, ma una riorganizzazione strutturale. L’unico indizio è che in N. gaditana c’è un leggero assorbimento nel far-red da parte del fotosistema I.”

La professoressa racconta che negli ultimi anni ha cominciato a occuparsi anche di astrobiologia, ed è proprio da qui che è nata la scoperta. Esistono infatti una trentina di pianeti giudicati promettenti per la ricerca di vita extraterrestre, tra cui Trappist e Proxima Centauri B, che ruotano attorno a stelle rosse nane, che emettono nel far-red e vicino infrarosso. Per studiare le condizioni di vita su questi esopianeti, il gruppo di ricerca ha fatto crescere N. gaditana in simulatori che riproducevano la luce far-red, e in questo modo i ricercatori si sono accorti della sua capacità di crescere usando il rosso lontano.

Osservare sotto un’altra luce, con occhi diversi, può portare alla scoperta di altri mondi, non necessariamente su altri pianeti.

Riferimenti

Elisabetta Liistro, Mariano Battistuzzi, Mattia Storti, Beatrice Boccia, Lorenzo Cocola, Giorgio Perin, Tomas Morosinotto, Nicoletta La Rocca, Thylakoids reorganization enables driving photosynthesis under far-red light in the microalga Nannochloropsis gaditana, New Phytologist (2026). https://doi.org/10.1111/nph.70786