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Perché d’autunno le foglie cambiano colore?

Si sta come

d’autunno

sugli alberi

le foglie

(Soldati, G. Ungaretti, 1918)

L’autunno è sicuramente la stagione che preferisco. Il contrasto tra i colori caldi assunti dalle foglie degli alberi ed il clima che si fa via via sempre più freddo sono l’espressione perfetta della transizione tra la frenetica attività dell’estate ed il letargico torpore invernale.

Ma come mai le foglie cambiano colore d’autunno?

Il colore verde delle foglie degli alberi, come ci viene insegnato fin da piccoli, è dovuto alla clorofilla.

La clorofilla è un pigmento fondamentale per il processo noto come fotosintesi clorofilliana grazie al quale le piante ricavano energia dalla luce solare.

Nelle cellule vegetali delle foglie la clorofilla si trova in “sacchetti” chiamati tilacoidi a loro volta impachettati in organelli cellulari noti come cloroplasti.

Rappresentazione di una cellula animale (a sinistra) e una cellula vegetale (a destra). Si possono notare numerose strutture comuni tra i due tipi di cellule (ad esempio il reticolo endoplasmatico liscio e rugoso, l’apparato di Golgi, il nucleo cellulare…). Tra le peculiarità della cellula vegetale vi sono i cloroplasti responsabili della conversione dell’energia luminosa in energia chimica utilizzabile per il metabolismo della pianta.

La clorofilla si associa a proteine presenti nei cloroplasti per formare dei fotosistemi che convertono l’energia luminosa in energia chimica utilizzabile per la sintesti di molecole organiche come i carboidrati (come il glucosio ad esempio).

Grazie a questa capacità le piante sono considerate organismi autotrofi, ovvero sono in grado di sintetizzare le proprie molecole organiche in modo autonomo, partendo da sostanze inorganiche e senza utilizzare energia derivata da altre molecole organiche (come facciamo invece noi organismi eterotrofi).

Cloroplasti ben visibili all’interno delle cellule vegetali.

Le foglie possono perciò essere considerate come delle fabbriche specializzate in cui l’energia proveniente dalla luce viene usata per convertire i nutrienti assorbiti dal terreno in molecole organiche utilizzabili per tutto il metabolismo della pianta stessa (in soldoni le piante si fanno il proprio cibo da sole). Durante la primavera e l’estate, quindi, le piante mantengono quantità elevate di clorofilla all’interno delle proprie foglie in modo da mantenere la fotosintesi a pieno ritmo e garantirsi tutti i nutrienti di cui hanno bisogno.

Con l’avvicinarsi delle stagioni fredde i giorni diventano sempre più corti e la luce a disposizione sempre più scarsa. Per le piante questo rappresenta un segnale, nel corso dell’inverno la fotosintesi non è più praticabile in quanto il rendimento delle fabbriche-foglie sarebbe minore dei costi di mantenimento delle fabbriche stesse.

Alle piante conviene perciò dismettere le fabbriche ed entrare in un periodo di quiescenza a metabolismo rallentato in cui vengono consumati i nutrienti prodotti nel corso delle stagioni calde e luminose.

Un bosco d’autunno

Per interrompere la produzione  nelle fabbriche-foglie le piante devono prima di tutto chiudere i cancelli. Questo processo si realizza tramite l’interruzione della produzione di auxina, un ormone vegetale. Normalmente l’auxina mantiene aperte le vie che vanno dalla pianta alla foglia e viceversa. Con l’arrivo dell’autunno la produzione di auxina si interrompe e alla base della foglia i vasi di trasporto della linfa vengono chiusi interrompendo qualsiasi scambio di nutrienti. Il sigillo, poi, induce il distacco della foglia dal ramo sul quale rimane solo una cicatrice.

Nel processo di smantellamento delle fabbriche-foglie tra le prime cose che vengono eliminate ci sono le macchine dedicate alla raccolta della luce: la produzione di clorofilla viene interrotta e quella esistente viene degradata.

Il colore verde così scompare  progressivamente lasciando spazio al rosso e al giallo, colori sempre presenti nella foglia ma generalmente coperti dalla massiccia quantità di clorofilla che domina su qualsiasi altro pigmento nel corso della primavera e dell’estate.

Il colore giallo delle foglie autunnali è dato dai carotenoidi, la cui produzione non dipende dalla luce e sono quindi sempre presenti nella foglia. I carotenoidi sono pigmenti molto noti ed il loro colore può variare dal giallo, all’arancione al rosso.

Il colore rosso o purpureo è invece dato da una classe di composti chiamati antociani o antocianine. Appartengono alla famiglia dei flavonoidi e, grazie al loro potere antiossidante, proteggono le foglie dai raggi ultravioletti del sole che, come per l’uomo, possono danneggiare il DNA contenuto all’interno del nucleo cellulare. Il colore degli antociani può variare dal rosso al blu.

I diversi colori delle foglie sono dovuti alla presenza di diversi pigmenti. Il verde della clorofilla, molto abbondante nelle foglie, in genere copre il rosso degli antociani e il giallo dei carotenoidi.

Le differenti sfumature delle foglie autunnali dipendono dalle quantità relative dei diversi pigmenti: una foglia con molti carotenoidi e pochi antociani sarà più gialla, viceversa una foglia con molti antociani e pochi carotenoidi sarà più rossa.

La clorofilla residua, poi, può contribuire a determinare il colore finale della foglia così come altri tipi di pigmenti. I tannini, ad esempio, sono responsabili del colore marrone delle foglie di quercia durante l’autunno.

Infine è opportuno ricordare che non tutte le piante perdono le foglie d’inverno. Come tutti ben sanno le conifere come pini ed abeti sono piante sempreverdi che mantengono le proprie sottilissime foglie ad ago sui rami durante tutto il periodo invernale.

Le caducifoglie (o decidue), invece, sono le piante descritte in questo post che perdono le foglie nella stagione sfavorevole (che in alcuni climi può anche essere la stagione secca).

Personalmente considero le piante organismi viventi estremamente affascinanti (in verità non credo esista un essere vivente che non trovi affascinante…), il loro ciclo stagionale è una meraviglia della fisiologia e un esempio magistrale di adattamento all’ambiente circostante e al clima. I loro colori d’autunno ed i rami spogli d’inverno, soprattutto di alberi molto vecchi, hanno un non so che di mistico ed evocativo.

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La percezione dei colori ed il mistero del magenta.

L’arcobaleno è un fenomeno dovuto alla dispersione ottica della luce solare nelle gocce di pioggia. Il passaggio attraverso la pioggia porta la luce solare a separarsi nei diversi colori (lunghezze d’onda) che la compongono.

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Foto scattata da me. Arcobaleno sulle rocce dello Stone Circle di Avebury nel Wiltshire (UK).

Osservando l’arcobaleno, quindi, possiamo vedere lo spettro della luce visibile nella sua totalità: dal rosso al violetto, passando per arancione, giallo, verde, ciano e blu.

All’appello manca però il magenta, parente stretto del fucsia. Come mai questo colore non appare all’interno dello spettro della luce visibile?

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Il colore magenta

Questo caso particolare, solo apparentemente misterioso, viene spiegato ottimamente dal divulgatore scientifico inglese Steve Mould in un video pubblicato sul canale della Royal Institution:

Proviamo a seguire il suo ragionamento partendo dal meccanismo fisiologico alla base della percezione dei colori.

Nell’occhio umano la percezione dei colori è affidata ad un particolare tipo di cellule sensoriali della retina chiamate coni (o cellule a cono).

Il nome “cono” deriva banalmente dalla forma del corpo cellulare di questi fotorecettori.

I coni vengono classificati in tre gruppi differenti a seconda del tipo di luce in grado di attivarli. All’interno della retina umana si trovano quindi:

– I coni rossi

– I coni verdi

– I coni blu

Rappresentazione grafica di una cellula a cono. Fonte: Wikipedia

La luce rossa, quindi, attiverà i coni rossi che invieranno un segnale al cervello il quale vi farà percepire il colore rosso. Lo stesso discorso varrà ovviamente per la luce blu, la luce verde ed i rispettivi coni.

Ma se esistono solo tre tipi di coni come mai siamo in grado di percepire tutti gli altri colori dello spettro?

Per rispondere a questa domanda bisogna prima di tutto considerare il fatto che ciascun tipo di cono è si sensibile ad una particolare lunghezza d’onda ma esiste un certo agio che definisce il range di attivazione del cono stesso. Una lunghezza d’onda che cada all’interno di questo range  è in grado di attivare (anche parzialmente) il meccanismo di percezione luminosa. I coni rossi, ad esempio, hanno un picco d’attivazione intorno ai 570nm, ma le lunghezze d’onda prossime a questo valore sono comunque in grado di stimolare un’attivazione parziale delle cellule a cono.

Come i coni rossi anche i loro fratelli blu e verdi vengono attivati da lunghezze d’onda che cadono all’interno di un particolare range d’attivazione. Questo fenomemo implica che i range di attivazione dei coni tendono a sovrapporsi l’uno con l’altro come si evince facilmente da questa immagine:

I range d’attivazione dei coni tendono a sovrapporsi tra di loro.

Diamo ora un’occhiata allo spettro della luce visibile. Prendendo in considerazione il giallo, ad esempio, si può notare come la lunghezza d’onda corrispondente a questo colore cada a metà strada tra il rosso ed il verde.

Il colore giallo cade tra il verde e il rosso

Come abbiamo visto nel grafico dei range d’attivazione una lunghezza d’onda che cade a metà strada tra il rosso ed il verde è in grado di attivare sia i coni rossi che i coni verdi. Questa sovrapposizione, data dall’attivazione simultanea di due tipi di coni, è cruciale ed è alla base della percezione del colore giallo. L’elaborazione dell’informazione è affidata al cervello il quale, ricevendo informazioni sensoriali sia dai coni verdi che dai coni rosi, capisce che sta guardando qualcosa di giallo.

La percezione di diversi colori, quindi, è dovuta all’attivazione simultanea di diversi tipi di coni. Il turchese, ad esempio, ha una lunghezza d’onda (480nm) che cade tra il verde ed il blu. L’attivazione contemporanea di coni blu e coni verdi data dalla luce tuchese si combina nel cervello dando come risultato la percezione del turchese (o ciano).

L’attivazione simultanea di tutti i tre tipi di coni, invece, da il bianco mentre la non attivazione dei tre tipi di coni (assenza di luce) da il nero.

Il nostro cervello, quindi, può percepire tutti i colori dello spettro solo indirettamente, come diverse combinazioni di attivazioni di tre tipi di coni. Questo implica, tra l’altro, che il cervello può venire facilmente ingannato: sovrapponendo una luce rossa (tra 630 e 760nm) ed una luce verde (tra 490 e 570nm), infatti, si possono attivare i coni rossi ed i coni verdi dando così la percezione del giallo anche in totale assenza di luce gialla (tra 565 e 590nm). Questo fenomeno viene sfruttato tra l’altro nella fabbricazione degli schermi televisivi:

Applicazione pratica delI’attivazione combinata dei tre tipi di coni. Gli schermi televisivi sono composti solamente da pixel rossi, verdi e blu i quali, combinandosi tra loro, inducono la percezione di colori le cui lunghezze d’onda non sono effettivamente emesse dallo schermo.

Ma, come detto al’inizio di questo post, il magenta rappresenta un caso particolare in quanto non si trova all’interno spettro del visibile, ovvero non corrisponde a nessuna singola lunghezza d’onda effettivamente presente nella luce bianca.

Quindi, dove si trova il magenta?

A livello dei coni della retina il magenta viene percepito quando si ha l’attivazione contemporanea dei coni blu e dei coni rossi posti ai due estremi dello spettro del visibile.

Seguendo la logica usata per il giallo ed il turchese, il colore percepito da questa doppia attivazione dovrebbe cadere a metà strada tra il blu ed il rosso. Ma a metà strada tra blu e rosso c’è il verde il quale ha un gruppo di coni dedicato e che, in questo caso, sono tutti inattivi.

È il cervello a risolvere questo problema: il nostro sistema di elaborazione dei dati sensoriali aggira questa mancanza inventandosi un colore: il magenta.

Il magenta, quindi, non è presente all’interno dello spettro del visibile semplicemente perché “non esiste” o, più precisamente, esiste solo nella nostra interpretazione visiva della luce e non corrisponde a nessuna singola lunghezza d’onda effettiva.

Approfondire questo argomento per il blog mi ha entusiasmato ed affascinato, ma devo confessarvi che da maschio medio la mia capacità di discriminazione dei colori (e di dare loro un nome) viene ben riassunta da questa immagine (seriamente…. esiste una qualche differenza tra color prugna e color melanzana?):

La percezione dei colori. Donne Vs Uomini.

Per approfondire questo argomento vi consiglio di guardare il video allegato a questo post e vi invito a visitare il BLOG di Steve Mould nonché a consultare il suo CANALE su YouTube.

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