Il Sole è il più luminoso e il più familiare oggetto del cielo: la vita sulla Terra non sarebbe possibile senza di esso essendo la Terra sostenuta da una cascata di energia che la rifornisce continuamente.
L'energia del sole
La radiazione solare è facilmente quantizzabile: l'energia solare arriva alla superficie esterna dell'atmosfera terrestre ad una velocità di 1,94 cal/min per cm2 (corrispondenti a 1365 Watt/m2), un valore noto come “costante di energia solare”.
Ogni forma di vita sulla Terra viene mantenuta dal flusso energetico solare che entra nella biosfera e viene utilizzato per la formazione ed il mantenimento della biomassa terrestre, ovvero tutti gli organismi animali e vegetali che popolano la Terra. La biosfera è la parte più esterna della sfera terrestre; essa include la parte inferiore dell’atmosfera, gli oceani, il suolo e la litosfera fino a circa 2 Km di profondità. La biosfera rappresenta il più ampio sistema biologico: esso consiste di tutti gli organismi viventi che interagiscono con l’ambiente fisico in modo da formare un unico, complesso sistema. La radiazione solare ha un'influenza diretta su di esso, agendo sulla temperatura dell'aria e del terreno e sul processo di evaporazione e traspirazione; la sua influenza è invece indiretta quando il Sole agisce sul valore dell'umidità atmosferica, sul movimento delle masse d'aria e sulle precipitazioni.
L'energia luminosa è utilizzata da un gruppo di molecole capaci di assorbire la luce, la clorofilla ed i pigmenti fotosintetici. Questi ultimi trasformano la luce in nutrimento per l’intero ecosistema biosfera. Tuttavia, di tutta l’energia solare che giunge sulla Terra, solo una piccola quantità, circa l’1%, viene assorbita dalle piante per finalità biologiche; il 60% viene riflessa mentre la maggior parte di quella restante viene assorbita dagli oceani, dall’atmosfera e dalle terre emerse, per venire poi irradiata nello spazio come calore. Il flusso di energia biologica è ben venti volte maggiore del flusso di energia che passa attraverso tutte le macchine costruite dall’uomo esistenti sulla terra. Se il flusso energetico in uscita (i raggi infrarossi emessi dalla terra) viene rallentato, allora la superficie terrestre tende ad accumulare calore e pertanto a riscaldarsi (effetto serra).
Non tutti gli organismi viventi sono in grado di ottenere energia direttamente dalla luce solare. In base alle fonti di energia che utilizzano, all'interno della biosfera terrestre gli organismi, e pertanto le cellule, possono essere classificati in due gruppi. Il primo gruppo è costituito da organismi in grado di captare l'energia luminosa per mezzo di pigmenti fotosintetici e di immagazzinarla sotto forma di molecole organiche quali il glucosio. Questi organismi sono detti “fototrofi” (si "nutrono" di luce) e comprendono le piante, le alghe, i cianobatteri e alcuni gruppi di batteri in grado di effettuare la fotosintesi. Un secondo gruppo di organismi, detti “chemiotrofi” (si "nutrono" di sostanze chimiche), impiega l’energia contenuta nei legami chimici delle molecole organiche: tali organismi assumono composti chimici, quali carboidrati, grassi e proteine. Tutti gli animali, i protisti, i funghi e la maggior parte dei batteri sono chemiotrofi. L'energia chimica viene poi emessa in due modi. Nel primo, i composti chimici sono scomposti parzialmente e rilasciano parte dell'energia immagazzinata. Il termine generale per descrivere questo processo è “fermentazione”, mentre il termine “glicolisi” è impiegato per descrivere la scomposizione della molecola di glucosio durante il processo di fermentazione. Il secondo metodo si basa invece sul processo metabolico denominato “respirazione aerobica”, in cui i legami chimici cedono elettroni all'ossigeno molecolare o ad un'altro accettore di elettroni.
Sebbene i fototrofi siano in grado di utilizzare l'energia solare, quando disponibile, essi sono anche in grado di funzionare come chemiotrofi, e lo fanno proprio in presenza della luce. La maggior parte delle piante è un insieme di cellule fototrofe e chemiotrofe. Una cellula della radice di una pianta, ad esempio, sebbene parte di un organismo fototrofo, è nella maggior parte dei casi, incapace di operare la fotosintesi, ed è, da ogni punto di vista, chemiotrofa come una cellula animale.
La luce solare genera la capacità di ottenere e scambiare informazione nel mondo vivente consentendo agli organismi superiori, attraverso il processo fisiologico della visione, di ricevere stimoli e conoscere l'ambiente circostante. L'occhio umano e quello degli organismi superiori, raccoglie l'energia luminosa proveniente dall'ambiente, ne regola l'intensità attraverso il diaframma dell'iride, e la focaliza mediante un sistema ottico adeguato a formare un'immagine sulla retina. Questa immagine è trasformata in una serie di impulsi elettrici che vengono inviati al cervello attraverso il nervo ottico, rendendo così possibile l'elaborazione e l'interpretazione dell'immagine stessa. La sensibilità spettrale e le caratteristiche dell'occhio umano, nonché di quello di molti animali, sono assai singolari e finora ineguagliati da sistemi artificiali anche complessi quali sono ad esempio gli obiettivi delle fotocamere o i moderni sensori ottici.
La fotosintesi
I
l cibo che mangiamo esiste grazie all'energia della luce solare che arriva sulle piante verdi e, attraverso il processo chimico della fotosintesi clorofilliana, permette di convertire molecole di anidride carbonica (CO2) e acqua (H2O) in molecole di glucosio (C6H12O6), zucchero fondamentale per la vita della pianta.
La fotosintesi clorofilliana è il processo di produzione primaria di composti organici da sostanze inorganiche, quello dominante sulla Terra, in grado di raccogliere la luce solare e convertirla in energia chimica; esso rappresenta la prima forma di processo biosintetico sviluppato dagli organismi viventi. Il processo fotosintetico è in grado di catturare una quantità di energia dell'ordine dei 100 terawatt, circa sei volte il consumo attuale della civiltà umana.
Questo processo metabolico assolutamente vitale per praticamente tutte le forme di vita sulla Terra, comprende reazioni di trasformazione dell'energia, in cui fotoni di luce vengono assorbiti da molecole di clorofilla o di pigmenti accessori collocati in organuli cellulari chiamati cloroplasti o nelle membrane di batteri fotosintetici. Le molecole di clorofilla, dei pigmenti accessori e delle proteine ad essi associate sono organizzate in unità funzionali, i fotosistemi, localizzati nelle membrane cellulari dei tilacoidi, nei cloroplasti, o in quelle dei batteri fotosintetici. Le proteine che legano la clorofilla ne stabilizzano la posizione all'interno del fotosistema, modificando gli spettri di assorbimento della luce solare; l'energia luminosa, assorbita da pigmenti-antenna passa da un pigmento all'altro per trasferimento di energia per risonanza finché non raggiunge una precisa molecola di clorofilla nel centro di reazione del fotosistema. L'energia viene catturata quando un elettrone eccitato viene trasferito ad una molecola organica accettrice.
I prodotti chimici della prima fase della fotosintesi forniscono successivamente l'energia necessaria allo svolgimento delle reazioni di assimilazione del carbonio attraverso un processo metabolico chiamato “ciclo di Calvin”. Tale processo è la via fondamentale per l'introduzione del carbonio inorganico nella biosfera, presente in tutti gli organismi fototrofi ossigenici ed in gran parte degli anossigenici. Questa via metabolica prende il nome da Melvin Calvin, studioso che ricevette il Premio Nobel nel 1961 svolto in questo campo.
Il processo di trasformazione dell'energia solare in energia chimica, che ha luogo ogni volta che si realizza la fotosintesi, è dunque importantissimo per la continuità dell'esistenza del mondo biologico. Pertanto, la clorofilla va considerata come la molecola che ha trasformato la biosfera dell'intero pianeta terrestre.
Sole, Terra e Vita
La Terra non sarebbe adatta alla vita senza il Sole. La vita, come noi la conosciamo, ha bisogno di acqua in forma liquida, e la Terra è l'unico pianeta conosciuto ad averla: senza il Sole, la Terra sarebbe un blocco di roccia ghiacciata nello spazio. Il Sole non ha una superficie nettamente definita come la Terra, poiché, data la sua altissima temperatura, è allo stato gassoso e quella che appare come una superficie è la “fotosfera” (sfera di luce), che, a causa della sua alta temperatura, propoaga energia luminosa.
Tutte le sostanze calde irradiano energia secondo una distribuzione chiamata “radiazione di corpo nero” (curva di Planck), come quella emanata da un pezzo di ferro incandescente o dal filamento di una lampadina elettrica: più è caldo l'oggetto, più brillante è la sua emissione e più il suo colore si allontana dal rosso per spostarsi verso frequenze più alte. Quindi, il colore di un oggetto caldo ci dice “quanto” è caldo.
Nel caso del Sole, il colore della sua fotosfera suggerisce una temperatura superficiale di 5780 gradi Kelvin (gradi centigradi misurati a partire dallo zero assoluto, circa 5500 °C). Lo sviluppo della vita sulla Terra è stato possibile grazie al fatto che la temperatura esterna della fotosfera è contenuta in un intervallo compreso tra i 5000 e 6000 gradi Kelvin, corrispondente ad uno spettro di emissione di lunghezze d'onda comprese tra i 400 e 900 nanometri, all’interno del quale si trova la luce visibile. I pigmenti presenti in natura, come la clorofille delle piante, possiedono uno spettro di assorbimento dell'energia solare che copre efficacemente quasi l'intero spettro della luce che dal Sole raggiunge la superficie terrestre.
L’energia trasportata dal Sole è anche la causa dei fenomeni climatici e meteorologici: quando la superficie terrestre si riscalda comincia a irradiare, generalmente nella zona dell'infrarosso. Anche una pentola bollente o un ferro da stiro emettono radiazione infrarossa che può essere percepita (come calore) , ad esempio con una mano tenendola vicino all'oggetto.
Il suolo terrestre rilascia radiazione in tutte le direzioni, mentre ne riceve soltanto dal piccolo disco solare, che copre nel cielo un cerchio di circa 0,5 gradi di diametro. Mantenendosi tutto il suolo terrestre ad una temperatura stabile (e trascurando il calore prodotto all’interno della terra), l'energia totale che ogni area riceve deve essere uguale all'energia totale che ritorna nello spazio. Naturalmente, è soltanto la temperatura media ad essere stabile: in realtà, la superficie terrestre viene riscaldata di giorno, mentre irradia sia di giorno che di notte.
Fra le varie teorie invocate per l’origine della vita sulla Terra, vi è infine il suggerimento che un ruolo determinante sia stato giocato dal “vento solare”, un flusso di particelle emesso emesse dal Sole che raggiunge la nostra Terra. Secondo uno studio recente, le molecole organiche complesse alla base della biologia cellulare potrebbero essersi formate nel cosmo e poi essere state trasportate sulla Terra grazie al vento solare. Sono stati condotti esperimenti con acceleratori che producono fasci di protoni ad alta energia simulando i principali costituenti della radiazione cosmica e del vento solare. Esponendo a questi fasci di particelle una miscela di polveri di meteoriti e formammide — un composto costituito da idrogeno, carbonio, ossigeno e azoto, individuato in enormi nubi presenti nella nostra galassia — è stata osservata la formazione di alcune sostanze presenti nelle cellule, fra cui amminoacidi, zuccheri, acidi coinvolti nel metabolismo (carbossilici) e molecole (come i lipidi) che, assemblandosi, possono formare una membrana cellulare. Inoltre, per la prima volta in esperimenti di questo tipo, sono stati ottenuti i nucleosidi, nei quali le basi nucleiche che costituiscono il materiale genetico sono legate a uno zucchero.
La luce fonte di vita interiore
Dal Sole, dunque, la luce è il soffio della vita, ma non solo quella biologica. Molteplici, in proposito, i passi della storia della letteratura e del pensiero umano in cui la luce è dipinta come sorgente e tramite di ispirazione divina.
“L'alba vinceva l'ora mattutina
che fuggia innanzi, sì che di lontano
conobbi il tremolar de la marina...”
(Purgatorio I) scriveva Dante.
Nel momento in cui il poeta descrive il passaggio dalle sofferenze infernali ai primi passi verso il purgatorio sceglie la luce per formare la metafora della salvezza: la luce dell'alba che vince le tenebre e indica la via.
I riferimenti al cielo, al mare, alla spiaggia riconducono ad un’isola reale, ma il significato profondo di ogni elemento è legato al suo valore simbolico, cioè alla rinascita dello spirito: il cielo, gli astri, il Sole che sorge rappresentano la luce della Grazia che si irradia sulla legge naturale.
E, ancora, scriveva san Tommaso d’Aquino: “Ad pulchritudinem tria requiruntur: integritas, consonantia, claritas” (Summa Theologiae, I, q. 39, a. 8). Perché una cosa sia bella sono necessarie tre cose. Innanzitutto, l’integrità o perfezione, perché le cose incomplete o mancanti per ciò stesso sono brutte. Poi serve anche una debita proporzione o armonia, e per ultimo la claritas, qui intesa come manifestazione di uno stato di bellezza interiore, come chiarezza, in forza della quale le cose che hanno un colore splendente sono dette belle. Dalla dimensione cosmica a quella atomica e molecolare, la luce rappresenta una fonte di ispirazione e di vita, fisica, biologica, intellettuale, analogia capace di legare la realtà fisica, terrena, con quella soprannaturale, divina.
Come nella letteratura, anche nell'arte e nell'architettura la luce, da fenomeno fisico e fenomeno visivo, si tramuta in elemento introspettivo, spirituale. Nella realizzazione delle proprie opere, gli artisti responsabili dell’illuminazione si occupano della collocazione di sorgenti luminose ed apparati che controllano, dirigono, attenuano, esaltano o modificano l’emissione di luce nella loro opera. Controllando la luce si controlla anche l’equilibrio dell’opera, la composizione, l’atmosfera e le sensazioni generate dai colori. La luce non è un’entità vaga, diffusa, scontata: nell'opera d'arte essa diviene materia misurabile e quantificabile, ne sono splendi esempi Santa Sofia (Istambul), il Pantheon (Roma) e la cappella Ronchamp di Le Corbusier. La luce, primo “materiale” della creazione, il più eterno e universale, diventa l’elemento centrale della costruzione e della creazione dello spazio, nel senso più moderno del termine.
I confini tra luce ed oscurità articolano i corpi nella loro forma specifica e li predispongono alle relazioni ed ai rapporti. La luce quindi garantisce l'autonomia delle cose, ma parallelamente ne prescrive le relazioni.
Il Sole, fonte di vita nella sfera biologica, influisce con la sua presenza in tutte le relazioni fra l’uomo e la natura, fra l’uomo e i suoi simili, scandendo anche queste ultime, con il ciclo del sorgere e del tramontare, con l’alternarsi della luce e dell’oscurità.