Una sostanza essenziale per la vita: l’anidride carbonica

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La vita sulla Terra è basata sul carbonio. Tutti i composti strutturali degli esseri viventi: le proteine, i grassi, l’amido, la cellulosa e così via, sono formati da carbonio.

I produttori primari, ossia le piante verdi a funzione clorofilliana, sono in grado di fabbricare le sostanze organiche a partire dall’anidride carbonica (CO2) presente nell’aria. Se non ci fosse l’anidride carbonica, o se la sua concentrazione fosse troppo bassa, la vita sulla Terra, come noi la conosciamo, smetterebbe in breve di esserci. Come è noto la reazione di assorbimento è catalizzata dalla luce. Gli altri nutrienti, come l’acqua ed alcuni minerali, le piante li assorbono dal terreno. I consumatori primari e secondari, ossia gli erbivori e i carnivori, non potrebbero sopravvivere se venissero a mancare le piante.

Si pensa che l’origine primaria della CO2 atmosferica siano state le massicce eruzioni vulcaniche avvenute in epoche geologiche e che le temperature estreme che le caratterizzarono abbiano causato l’ossidazione del carbonio all’interno della Terra formando CO2. Oggi, come componente minore dell’atmosfera poiché rappresenta lo 0,04 per cento in volume, la CO2 permea tuta l’aria e nutre le piante terrestri, inoltre viene assorbita dagli oceani e dagli altri corpi idrici (idrosfera) dove fornisce l’alimento per gli organismi fotosintetici come il fitoplancton e le alghe.

Per lo sviluppo della vita vi è inoltre la condizione che le temperature non devono essere troppo fredde, ciò lo si può osservare dal numero di specie vegetali ed animali, e dalla numerosità degli individui nell’ambito di ciascuna specie, allorché si passa dalle zone equatoriali alle zone polari. E’ noto che il grado di diversità delle comunità ecologiche cambia a seconda delle zone del globo; l’andamento più regolare è il gradiente di diversità dall’equatore ai poli: gli ecosistemi tropicali sono più diversificati di quelli temperati, i quali sono più diversificati di quelli artici. Gli esempi abbondano sia nel mondo vegetale sia in quello animale: il Rio delle Amazzoni contiene oltre mille specie di pesci, mentre l’America Centrale ne ha 456 e i Grandi Laghi del Nord America 172. La foresta pluviale può contenere più di 200 specie di alberi su di una superficie di due ettari, mentre le foreste della zona temperata (sulla medesima superficie) ne ospitano non più di una quindicina. Fra gli insetti, le formiche mostrano un gradiente molto chiaro dai tropici verso i poli: man mano che aumenta la latitudine, diminuisce il numero delle specie e la numerosità degli individui nell’ambito della specie.

In generale, una maggiore concentrazione di CO2 atmosferica può comportare le seguenti conseguenze: un’accentuata fotosintesi e crescita delle piante (con una maggiore cattura del carbonio), un miglioramento dell’efficienza nell’uso dell’acqua, un minor ritardo della crescita nel caso di stress ambientali.

A riprova dell’effetto della CO2 sulla produttività dei vegetali sta il fatto che nelle serre, ormai da tantissimo tempo, viene praticata la concimazione mediante anidride carbonica con lo scopo di incrementare le rese delle colture (Incrocci et al., 2008). Questo è un dato ormai acquisito, come esempio evidente si veda la Figura 1 sull’accrescimento di piante di riso.

CO2 Figure 1

Figura 1 – Crescita del riso in funzione della concentrazione di anidride carbonica (valori espressi in parti per milione = ppm, in volume). Si noti che al di sotto di 60 ppm la pianta stenta a crescere.

Storicamente si può ricordare che nell’attuale periodo post-glaciale (iniziato circa 11.500 anni fa) avvenne la rivoluzione neolitica (10.000 – 8.000 anni fa) verificatasi in modo sincrono in 4 aree del globo non comunicanti fra loro: Medio-oriente (civiltà del frumento); Asia sud-orientale (civiltà del riso); Africa sub-sahariana (civiltà del sorgo); centro-America (civiltà del mais). Essa ha potuto aver luogo per l’aumento della temperatura e dell’accresciuta produttività dei vegetali conseguente l’aumento della CO2 nell’atmosfera che passò da 180 ppm dell’epoca glaciale a 280 ppm dell’epoca post-glaciale.

Se si osserva la ricostruzione dell’andamento dell’anidride carbonica e delle temperature, in epoche geologiche, si nota che il periodo attuale è caratterizzato da una bassa concentrazione di anidride carbonica (Figura 2). Nel Cambriano, 540 milioni di anni fa, la CO2 atmosferica era di 7000 ppm, mentre i valori odierni sono di 400 ppm (circa 18 volte più bassi). La Terra era allora reduce da tre miliardi di anni in cui la vita era rimasta confinata negli oceani ed era per lo più costituita da organismi unicellulari microscopici. Si verificò allora la cosiddetta “esplosione.

CO2 Figure 2

Figura 2 – Andamento della concentrazione di anidride carbonica (in volume) e delle temperature nel succedersi delle epoche geologiche.

cambriana” e la vita irruppe sulla scena del pianeta, manifestandosi dapprima negli oceani e poi sulle terre emerse in un’imponente varietà di forme frutto di catene alimentari sempre più complesse nutrite dagli elevatissimi livelli di CO2 allora presenti.

In quel periodo gli ambienti terrestri furono colonizzati dalle piante vascolari, simili agli attuali muschi che sono caratteristiche specie pioniere; non disponevano di stomi per cui la loro resistenza alla scarsità di acqua era molto ridotta. Tali vegetali primordiali furono le avanguardie di associazioni di piante che modificarono l’ambiente allo scopo di affermare la loro presenza in un numero crescente di habitat, fino ad ottenere la copertura di gran parte del pianeta nelle fasi caldo-umide.

Si deve ricordare che la crescita di un organismo non è controllata dalla quantità totale delle risorse disponibili, ma dalla risorsa più scarsa, che rappresenta il fattore limitante. Su tale base è possibile pensare che il propagarsi delle piante negli ambienti terrestri sia stata localmente limitata dalla disponibilità di elementi chimici (in primo luogo azoto e fosforo). E’ tuttavia probabile che l’unico vincolo globale reale contro l’espansione della vegetazione sia stato rappresentato dalle basse temperature proprie dei periodi glaciali, dalla remota glaciazione Carbonifera (360 milioni di anni fa) alle 15 glaciazioni del Pleistocene (ultimi 2,5 milioni di anni).

Gli strettissimi legami esistenti fra livelli atmosferici di anidride carbonica e produttività globale dei vegetali possono essere confermati da alcune interessanti evidenze.

I dati ricavati dalle carote glaciali dell’Antartide, pubblicati da Prentice et al (2011), indicano che la produttività dell’ecosistema globale nell’ultimo massimo glaciale (circa 20.000) era inferiore del 25/40% rispetto a quella pre-industriale; un valore coerente con tali misure (– 30%) è risultato da simulazioni con modelli matematici. Tale fenomeno è probabilmente limitato ai soli ecosistemi terrestri, poiché quelli marini hanno avuto variazioni marginali nella transizione dal freddo al caldo. A ciò si aggiunga che le antiche produzioni di cereali, simulate da Araus et al. (2003), mostrano che l’aumento della CO2 dai livelli pre-industriali (275 ppm) a quelli degli anni ’80 (350 ppm) ha dato luogo ad un aumento del 40% della produzione di cereali e plausibilmente di molte altre colture e di molti ecosistemi naturali.

Negli anni più recenti le osservazioni da satellite hanno evidenziato un sensibile aumento della biomassa vegetale globale. Un incremento del 6% della produttività primaria netta globale dei vegetali è stata osservata nel periodo 1982-1999 (Simmons, 2012), nel periodo 1990-2009 (Sitch S. et al., 2015), nel periodo 1961-2010 (Zeng et al., 2014). Le tendenze riscontrate da questi ultimi autori hanno messo in evidenza che vi sono stati importanti aumenti nelle aree agricole del Nord America, Europa e Asia (Figura 3) (nella parte inferiore della figura vi è la frazione di raccolto nel 2000). Gli aumenti sono diffusi in gran parte dell’emisfero settentrionale, in particolare nelle latitudini più alta, in risposta al clima più mite ed all’effetto della concimazione della CO2. Le diminuzioni in alcune regioni sono dovute alle tendenze climatiche. La maggiore crescita stagionale della vegetazione si è manifestata durante il periodo 2001-2010, rispetto al 1961-1970; ciò suggerisce un maggiore scambio della CO2 tra l’atmosfera e la biosfera.

Anche il satellite del centro australiano CSIRO, fa vedere che, dal 1982 al 2010, le regioni più aride (Australia occidentale, Africa sub-sahariana, India occidentale e le grandi pianure del Nord America) mostrano il maggior incremento nella crescita delle piante (Figura 4).

L’Africa sub-sahariana mostra il maggior incremento nella crescita delle piante
(Figura 5, da Olsson et al., 2005).

CO2 Figure 3

Figura 3 – Gli aumenti della produzione primaria (NPP) dal 1961 al 2010 (kg di C/m2), diffusi in gran parte dell’emisfero settentrionale, sono attribuiti in maggior parte al clima più mite (29%) e all’effetto fertilizzante della CO2 (26%).

CO2 Figure 4

Figura 4 – I dati satellitari mostrano la variazione percentuale della produttività primaria netta della vegetazione dal 1982 al 2010. Le regioni più aride (Australia occidentale, Africa sub-sahariana, India occidentale e le grandi pianure del Nord America) mostrano il maggior incremento nella crescita delle piante (Immagine da CSIRO Australia). 

CO2 Figure 5

Figura 5 – L’Africa sub-sahariana mostra il maggior incremento nella crescita delle piante.
(Olsson et al., 2005). 

Se si osserva il grafico della Figura 6 si nota che vi sono stati forti incrementi della resa per ettaro, dal 1961 al 2013, delle principali piante che nutrono l’umanità: frumento triplicata; mais quasi triplicata; riso più che raddoppiata; soia più che raddoppiata. Se riportassimo la CO2 atmosferica ai livelli pre-industriali (280 ppm) la produzione agricola globale calerebbe del 20/40%, causando una grave crisi alimentare per l’intera civiltà umana (Mariani L., 2014).

CO2 Figure 6

Figura 6 – La produzione delle 4 colture che nutrono il mondo dal 1961 al 2013.

Questi incrementi hanno portato ad un miglioramento delle disponibilità alimentari su tutto il pianeta, infatti, dai dati più recenti della FAO risulta quanto segue: in 25 anni si è ottenuta una riduzione della popolazione denutrita come non era mai avvenuta prima (Tabella 1).

Anni 1990 2014-2016
Popolazione (milioni) 5.320,8 7.243,8
Denutriti (milioni) 1.011 795
Denutriti (%) 18,6 % 10,8 %
kcal pro/capite 2597 2903

Tabella 1 – Diminuzione del numero dei denutriti e dell’aumento delle disponibilità alimentari nel Mondo, negli ultimi 25 anni.

Alla luce di questi fatti, è probabile che le popolazioni animali – sia terrestri che acquatiche – siano favorite da un aumento dei livelli di CO2 nell’atmosfera, in quanto esse sono connesse a quelle del regno vegetale: maggiore è la base alimentare, maggiore è la biomassa di erbivori e di carnivori che può essere supportata (Idso, 1995).

Un aumento della produttività vegetale, conseguenza dell’aumento della CO2, potrebbe essere anche uno dei migliori alleati per preservare la biodiversità del pianeta. Infatti se una data popolazione ha un numero più elevato di individui (conseguente alla maggiore produttività), ha più possibilità di mantenere la propria biodiversità, in quanto ogni specie (vegetale o animale) deve avere un certo numero di individui (una certa “biomassa critica”) per sostenere e salvaguardare la propria specie ed assicurare la sua riproduttività a lungo termine (McNaughton et al., 1989) (Cyr and Pace, 1993).

Bibliografia

Araus et al., 2003, “Productivity in prehistoric agriculture: physiological models for the quantification of cereal yields as an alternative to traditional Approaches”, Journal of Archaeological Science, 30, 681–693.

Cyr H. and M.L. Pace, 1993, “Magnitude and patterns of herbivory in aquatic and terrestrial ecosystems”, Nature 361, 148-150.

Idso S.B., 1995, “CO2 and the biosphere: The incredible legacy of the Industrial Revolution. St. Paul, MN: Department of Soil, Water & Climate, University of Minnesota.

Incrocci L. et al., 2008, “Rese maggiori a costi contenuti con la concimazione carbonica”, Informatore Agrario, 21, 57-59.

Mariani L., 2014, “Produttività dei vegetali e livelli atmosferici di anidride carbonica”, 21mo Secolo Scienza e Tecnica, 1, 2-5.

McNaughton S. J. et al., 1989, “Ecosystem-level patterns of primary productivity and herbivory in terrestrial habitats”, Nature, 341, 142-144.

Olsson et al., 2005, “A recent greening of the Sahel—trends, patterns and potential causes”, Journal of Arid Environments, 63, 556–566.

Prentice I.C., Harrison P., Bartlein P.J., 2011, “Global vegetation and terrestrial carbon cycle changes after the last ice age”, New Phytologist, 189: 988–998. Vedere anche http://www.co2science.org/articles/V14/N34/EDIT.php

Simmon R., 2012, “Global garden, NASA Earth Observatory, based on data from Montana University – Numerical Simulations Terradynamic Group – NTSG (http://earthobservatory.nasa.gov/Features/GlobalGarden/).

Sitch S. et al., 2015, “Recent trends and drivers of regional sources and sinks of carbon dioxide”, Biogeosciences, 12, 653–679.

Zeng et al., 2014, “Agricultural Green Revolution as a driver of increasing atmospheric CO2 seasonal amplitude”, Nature, vol . 5015, 20 nov.

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Professor in Energy Economy and Technology, è esponente di spicco della disciplina ed autore di numerose pubblicazioni. Ha ricoperto importanti incarichi istituzionali nell’Università italiana. Attualmente studia e ricerca sui problemi del “cambiamento climatico”.

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