027 – Germinazione

La germinazione è il momento in cui un seme secco e dormiente diventa una pianta viva. L'acqua assorbita per imbibizione riattiva il metabolismo del seme, gli enzimi scompongono l'amido e le proteine immagazzinate nei cotiledoni, la radichetta emerge e ancora la piantina, e il germoglio spinge verso la superficie. Nulla di tutto ciò richiede luce: un seme germina perfettamente al buio, grazie alle riserve accumulate al suo interno. Ciò che richiede luce è la fase successiva. La clorofilla non può essere assemblata al buio, quindi una piantina che raggiunge l'aria senza luce rimane pallida, mantiene il fusto piegato a uncino protettivo e non apre mai le foglie; vive delle proprie riserve finché queste non si esauriscono. In presenza di luce, l'uncino si raddrizza, i cotiledoni e le prime foglie si espandono e diventano verdi, e la pianta passa dal consumo delle proprie riserve alla produzione di zuccheri attraverso la fotosintesi. Le aziende sementiere, i coltivatori e i gestori di serre dipendono dalla conoscenza esatta di quanta luce necessita una piantina per compiere questa transizione e con quale rapidità. In questo laboratorio ammorbidirete tre semi di fagiolo in acqua, li pianterete in tre vasi numerati identici e poi collocherete ciascun vaso in un ambiente luminoso diverso: il vaso 1 dentro una scatola da scarpe chiusa, il vaso 2 sul bancone accanto al lavandino alla normale luce della stanza e il vaso 3 direttamente sotto una lampada accesa. Tutti e tre ricevono lo stesso terriccio e la stessa annaffiatura. Farete poi avanzare il tempo di 24 ore alla volta e innaffierete le piante ogni giorno per l'equivalente di dieci giorni, fotografando tutti e tre i vasi quotidianamente, in modo che la luce sia l'unica variabile a differenziarli.

Obiettivi Educativi

Familiarizzazione con l'ambiente di laboratorio

• Individua e identifica i vasi da fiori, i beaker da 50 mL, la spruzzetta, la lampada, la scatola da scarpe e l'orologio, e spiega il ruolo che ciascuno di essi svolge nell'esperimento.
• Trova la tabella delle immagini sul tablet e comprendi che contiene una fotografia di ciascun vaso per ogni giorno dell'esperimento.

Progetto di un confronto controllato

• Identificare la luce come variabile indipendente e nominare ciò che viene deliberatamente mantenuto costante: lo stesso tipo di seme, lo stesso terreno, lo stesso vaso, lo stesso volume d'acqua secondo la stessa programmazione e la stessa temperatura.
• Spiega perché le tre pentole devono essere trattate in modo identico sotto ogni altro aspetto affinché qualsiasi differenza tra di esse abbia un significato.

Preparazione dei semi e semina

• Immerse un fagiolo in ciascuno dei tre becher da 50 mL riempiti a metà con acqua di rubinetto e spiega perché l'ammorbidimento del tegumento del seme accelera la germinazione.
• Piantare i semi ammollati nei vasi numerati e tenere traccia di quale seme si trova in quale vaso per tutti e dieci i giorni.

Manutenzione giornaliera e controllo del tempo

• Innaffia tutti e tre i vasi con la spruzzetta ogni giorno, dando a ciascuno la stessa quantità.
• Avanza l'orologio di 24 ore e ripeti il ciclo, in modo che la sequenza di dieci giorni sia completa e ininterrotta.

Osservazione e tenuta dei registri

• Registra, per ogni vaso e per ogni giorno, se il germoglio è emerso, la sua altezza approssimativa, il suo colore e se l'uncino si è aperto e le foglie si sono espanse.
• Usa le fotografie giornaliere per individuare il giorno in cui si è verificata ciascuna fase, anziché affidarti alla memoria alla fine.

Interpretazione del risultato

• Distingui la germinazione, che avviene in tutti e tre i vasi, dalla successiva crescita e dall'inverdimento, che invece non si verificano.
• Metti in relazione l'aspetto di ciascuna piantina con la luce a sua disposizione e dichiara ciò che l'esperimento può e non può dimostrare con una sola piantina per condizione.

Protocollo

La preparazione e l'osservazione

1. Posiziona un seme di fagiolo in ciascuno dei tre becher da 50 mL.
2. Riempire ogni becher da 50 mL a metà con acqua di rubinetto per ammorbidire i semi dei fagioli.
3. Pianta i semi di fagiolo nei vasi numerati da 1 a 3 (per raccoglierli, posiziona la mano aperta rivolta verso l'alto alla base del becher).
4. Usando l'irrigatore, innaffia le piante di fagiolo numerate da 1 a 3.
5. Posiziona la pianta di fagioli 1 nella scatola da scarpe, la pianta di fagioli 2 sul bancone accanto al lavandino e la pianta di fagioli 3 dovrebbe essere sotto la lampada.
6. Accendi la lampada.
7. Devi aspettare qualche giorno per osservare la germinazione della pianta di fagiolo a seconda delle condizioni di irrigazione e luce.
8. Clicca sul pulsante rosso dell'orologio per avanzare il tempo di 24 ore.
9. Annaffia ognuna delle tre piante usando la bottiglia da lavaggio.
10. Ripeti il passaggio di avanzamento del tempo di 24 ore e innaffiare le tre piante (passaggi 8 e 9) e osserva l'evoluzione della pianta di fagiolo fino a quando non è trascorso l'equivalente di un periodo di 10 giorni.
11. Osserva l'evoluzione della germinazione delle piante di fagiolo in relazione all'esposizione alla luce nel corso dei giorni.
12. I risultati sono riportati nella tabella del tablet.

Risultati Previsti

I risultati si trovano al seguente link (PDF)

Tutti e tre i semi germinano. Ciò che li separa è tutto ciò che accade dopo che il germoglio raggiunge l'aria. La tabella sottostante mostra lo stato di ciascun vaso alla fine della sequenza di dieci giorni, come registrato nelle fotografie giornaliere della simulazione.

Le fotografie giornaliere consentono anche di datare la sequenza della germinazione stessa. Un fagiolo è un germinatore epigeo, quindi le fasi si susseguono in un ordine prestabilito, e lo stesso ordine compare in tutti e tre i vasi, sebbene solo due di essi arrivino a sviluppare le foglie.

Perché la luce non è necessaria per germogliare, ma è necessaria per sopravvivere. La germinazione richiede acqua, ossigeno e una temperatura adeguata, e l'energia necessaria proviene dal seme, non dal sole: i cotiledoni di un fagiolo sono una riserva di amido, proteine e lipidi, e le amilasi idrolizzano quell'amido in zuccheri che l'embrione in crescita utilizza per la respirazione. Questo è il motivo per cui il vaso 1 germina nel buio più totale con gli stessi tempi degli altri due. Le riserve, tuttavia, sono finite. Una piantina diventa autosufficiente solo quando è in grado di svolgere la fotosintesi, 6 CO₂ + 6 ore₂O + energia luminosa → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂, e ciò richiede tessuto verde. La fase finale nella costruzione della clorofilla, ovvero la conversione da protofillofillide a clorofillide, è essa stessa guidata dalla luce nelle piante con fiori, quindi una piantina al buio non può fisicamente produrre il pigmento. Il vaso 1 non sta quindi morendo di fame al giorno 10 — ha ancora delle riserve — ma non ha alcuna via per diventare autotrofo e, lasciato nella scatola, esaurirebbe i suoi cotiledoni e morirebbe.

Due programmi di crescita, una sola piantina. Un seme nel buio non si limita a non crescere; segue un programma diverso e perfettamente sensato, chiamato skotomorfogenesi. L'allungamento del fusto è favorito rispetto all'espansione fogliare, la clorofilla non viene prodotta e l'apice è protetto all'interno di uncinetto, perché in natura l'oscurità significa che la plantula si trova ancora sottoterra e la sua unica mossa utile è raggiungere la superficie. La prima luce che riceve viene rilevata dai fotorecettori — fitocromi per la luce rossa e rosso-lontana, criptocromi per quella blu — e fa passare la pianta alla fotomorfogenesi: l'uncino si apre, l'allungamento del fusto rallenta, i cotiledoni e le foglie si espandono e la clorofilla si accumula. Il vaso 1 mostra il programma al buio, i vasi 2 e 3 mostrano il programma alla luce, e la differenza tra i vasi 2 e 3 dimostra che il programma alla luce risponde comunque alla quantità di luce presente.

Perché la lampada batte il bancone. Le tre posizioni differiscono più di quanto si potrebbe pensare. L'illuminazione indiretta per interni su un bancone è tipicamente dell'ordine da 100 a 500 lux, una lampada da scrivania a distanza ravvicinata fornisce diverse migliaia di lux, e la luce del giorno all'aperto varia da circa 10.000 lux a più di 100.000 lux. Una foglia di fagiolo raggiunge il suo punto di compensazione — in cui la fotosintesi bilancia esattamente la respirazione — a poche decine di µmol di fotoni per m² al secondo, e si satura solo molto al di sopra di ciò. Il vaso 2 si trova quindi al di sopra della soglia alla quale può sopravvivere e rinverdire, ma ben al di sotto del livello al quale cresce alla massima velocità possibile, mentre il vaso 3 è più vicino a tale livello, motivo per cui accumula la maggiore superficie fogliare negli stessi dieci giorni. La classifica dei tre vasi è la classifica della luce che ricevono.

Riepilogo del compito per intervallo di voti

Classe 9-10

• Concentrazione: la differenza tra la germinazione e la crescita, e il vocabolario di un confronto controllato.
• Attività: disponete i tre vasi e innaffiateli secondo lo stesso programma; registrate colore, altezza e stato delle foglie per ciascun vaso in ogni giorno in una tabella simile alla Tabella 1; identificate l'unica variabile modificata e indicatene tre mantenute costanti; dichiarate quale vaso è andato meglio e quale peggio, e spiegate in una frase perché il vaso nella scatola è pallido.

Undicesimo anno

• Concentrazione: confronto quantitativo dei tre trattamenti e la chimica alla base del colore.
• Attività: ricavare le altezze dalle fotografie giornaliere e tracciare il grafico dell'altezza in funzione del giorno per tutti e tre i vasi su un unico sistema di assi; spiegare perché la clorofilla non può essere prodotta al buio e nominare la fase del pigmento che la luce sblocca; rendere conto dell'uncino e della sua apertura; spiegare come la piantina nella scatola riesca a sopravvivere e prevedere cosa le accadrebbe se venisse spostata sotto la lampada il decimo giorno; ordinare le tre posizioni in base all'illuminamento e mettere in relazione la classifica con la crescita osservata.

12ª classe / Livello universitario

• Concentrazione: progetto sperimentale, e cosa una singola piantina per trattamento può e non può stabilire.
• Attività: elenca tutte le variabili che questo protocollo lascia non controllate e specifica la replicazione, la randomizzazione della posizione dei vasi e la valutazione in cieco necessarie per trasformare la dimostrazione in una misurazione; argomenta a favore della biomassa secca e dell'area fogliare rispetto all'altezza come variabili di risposta e descrivi come ciascuna verrebbe misurata; spiega l'eziolamento come strategia adattativa piuttosto che come un difetto e distingui i ruoli del fitocromo e del criptocromo; progetta un esperimento successivo che separi l'effetto della quantità di luce dalla qualità della luce, ad esempio un trattamento solo blu e uno solo rosso a flusso fotonico equivalente; e spiega perché aprire la scatola ogni giorno per innaffiare il vaso 1 indebolisce il trattamento al buio e come eviteresti questo problema.

Materiale essenziale di laboratorio

Strumenti

• Vasi di fiori (3, numerati da 1 a 3)
• Becakers (50 mL, un becher per seme)
• Spruzzetta
• Scatola da scarpe
• Lampada
• Orologio (fa avanzare il tempo di 24 ore)

Prodotti

• Semi di fagiolo
• Terreno
• Acqua del rubinetto