La Luce in natura, comparazioni con la luce in acquario

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Durante il MagnaModena che si è tenuto domenica 8 febbraio abbiamo avuto la fortuna di assistere ad una presentazione di Nicola Gandini, titolare della ditta Elos che ci ha parlato della funzione e delle peculiarità della luce in acquario. Partendo da dati certi e misurabili e non dalle solite considerazioni spicciole.

Io ho poi preso la relazione e l’ho espansa con le mie conoscenze e l’ho resa in modo più leggibile, ringrazio quindi Nicola per la presentazione originaria e spero che in questo modo riusciate a capire meglio le diverse interazioni che sono citate, per ogni domanda non esitate a lasciare il vostro commento sotto a cui sarò felice di rispondere.

Nicola Gandini sulla sinistra ed Argobax sulla destra preparano la conferenza

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Presentazione

La Luce in natura, comparazioni con la luce in acquario

La Luce è sicuramente uno dei parametri chiave nel successo ottenuto in acquariofilia marina, nonché la base su cui si fonda il metodo Berlinese.
Senza una luce adeguata sarebbe impossibile mantenere coralli a scheletro duro, tra cui Acropore, Montipore, Pocillopore, Seriatopore, e molluschi esigenti come le tridacne.

Esperti acquariofili di tutto il mondo hanno oramai capito la complessa relazione multifattoriale fra una serie di parametri e la salute e la colorazione dei nostri coralli con particolare riferimento agli SPS (small polyped scleractinians).

L’introduzione delle lampade HQI da 10.000 °K prima e da 20.000 °K poi e la disponibilità recente deitubi fluorescenti ad alta emissione (T5) ha sicuramente accelerato il processo da cui si era partiti tanti anni fa.

Ovviamente ci sono tante domande che tutti noi acquariofili continuiamo a farci e che si incentrano ovviamente sulla Luce: Quale è la tipologia di luce migliore? Quale deve essere l’intensità? Quale la potenza delle lampadine?

Cominciamo a considerare cosa succede in Natura, prendendo ad esempio un reef polinesiano, e vediamo i suoi parametri principali riguardo l’illuminazione. Per farlo consideriamo l’irradiazione incidente (PFFD) compresa nello spettro fra 400 e 700 nanometri, e possiamo vedere che il minimo misurato in inverno è pari a 1.600 µmoli/M2/s (340 Watts/m2) mentre il massimo in estate è pari a 2.300 µmoli/M2/s (500 Watts/m2).

La variabilità può dipendere da un insieme piuttosto ampio di fattori, dall’ora del giorno, dalla posizione del sole in relazione alla longitudine e latitudine, dal particolato, dalle sospensioni in aria, dall’umidità, da altri gas presenti in atmosfera, dalla nuvolosità e dalla stagionalità. Ed oltre a tutto questo anche sott’acqua le cose si complicano. E’ infatti necessario premettere che non tutta la luce che raggiunge la superficie dell’acqua aggiunge poi l’obiettivo, una parte della luce viene infatti riflessa (in base all’angolo di incidenza e all’indice di rifrazione dell’acqua), le onde superficiali influiscono sull’intensità della luce in profondità agendo come fossero una lente di ingrandimento e quindi intensificandola o, al contrario, diminuendola (“glitter lines”, Falkowski 1990), poi ci sono da considerare il particolato, le sostanze in sospensione disciolte in acqua che possono riflettere o assorbire parte della luce, maggiore è la torbidità e maggiore sarà l’assorbimento della luce), il fitoplankton in sospensione, e le molecole della stessa acqua che agiscono andando ad assorbire parte della luce.

La Distribuzione Spettrale (PFFD) a varie profondità, in acque oceaniche limpide assume i seguenti valori:

A questo punto aggiungiamo complessità al sistema andando a considerare il fatto che la luce non è tutta uguale, ma anzi può assumere caratteristiche profondamente diverse.

L’acqua in sostanza agisce come fosse un filtro che modifica lo spettro: i rossi ed i gialli sono i primi a sparire mentre i blu sono quelli che penetrano più profondamente.

Sorge spontanea una domanda, In acquario quindi, cosa ci possiamo aspettare?

La maggior parte dei coralli presenti nei nostri acquari vivono, in natura, a profondità comprese fra pochi metri e 15-20 metri. Nei nostri acquari si trovano a vivere a profondità comprese fra i 5 ed i 50 cm.

E’ evidente che a queste profondità la quantità di luce assorbita dall’acqua è veramente poca, pari al 33%a 700nm per scendere al 4% a 400nm.

Livello di attenuazione della luce a 60 cm dalla superficie dell’acqua.

La prima conclusione importante che possiamo trarre è che se in natura l’intensità luminosa a livello superficiale si attesta in un range compreso fra i 350 e i 500 Watt/mq, in un acquario con acqua trasparente tale livello può venire ridotto in modo esponenziale, questo perché quando si volesse fare un paragone fra la natura ed i nostri acquari entrano in gioco altri elementi che è bene tenere in considerazione:

• La quantità di luce e lo spettro assorbiti in acquario sono spesso influenzati dalla pigmentazione dell’acqua a causa della decomposizione delle sostanze organiche, da cui segue l’importanza dell’utilizzo di un
  buon carbone attivo.
• Il particolato in natura è molto maggiore, solitamente, rispetto a quanto presente in acquario.
• Negli oceani l’irradiazione luminosa NON è costante come invece accade spesso nei nostri acquari (ad esempio a causa dell’angolo d’incidenza durante la giornata e della stagionalità).

Un’altra importantissima proprietà è relativa alla colorazione dei coralli. Può infatti il colore osservato sui nostri coralli dipendere dalla luce impiegata? In ambito scientifico  (Ken S. Feldman, Sanjay Joshi, Lauren F. Vernese, Elizabeth A. Huber, Kelly M. Maers, Matthew R. Test) sono stati portati avanti una molteplicità di esperimenti per capire l’influenza della luce sul colore. Importantissimo è però individuare quali siano le variabili in gioco e basare i risultati non su “aneddoti” ma su dati che siano certi certi, poiché in questo modo si riesce a comprendere una complessa relazione multifattoriale e non la si confonde invece con una “banale” metodologia di gestione, come spesso accade.

Il primo passo in questa direzione è capire che la colorazione “percepita” di un corallo dipende da una molteplicità di variabili che toccano una moltitudine di aree della scienza che spaziano dalla genetica molecolare dei coralli, alla fisica-chimica associata all’assorbimento della luce da parte dei pigmenti, alla fisica-ottica legata alla percezione visiva, alla chimica ed alla relazione simbiontica con le zooxanthellae;

In estrema sintesi i nostri coralli producono una moltitudine di “molecole colorate” in risposta ad una varietà di stimoli.

Parlando di Luce possiamo sostenere che il colore “percepito” di un corallo da parte di un osservatore è una combinazione di luce incidente, luce riflessa e di luce Ri-emessa (fluorescenza).

La luce riflessa non “interagisce produttivamente” con alcuna molecola del corallo. La sua superficie agisce come specchio che riflette selettivamente la luce incidente che gioca quindi un ruolo fondamentale nella colorazione della luce riflessa.

La luce Ri-emessa (fluorescenza) implica al contrario una interazione molecolare fra fotoni e recettori del corallo. Recettori che “assorbono” la luce ad un certo spettro per rifletterla ad uno spettro differente (fluorescenza) spostandola di lunghezza d’onda verso il rosso: assorbe il blu ed emette il verde. Ed ecco il motivo per cui alcuni acquari appaiano con colori molto accentuati.

Arrivati a questo punto è necessario procedere ad una comparazione spettrale fra le diverse tipologie di illuminazione presenti in acquario e fra queste e lo spettro della luce solare.

Luce a Led e Luce solare (Misurazioni con spettro fotometro professionale)

Luce a Led ed HQi (Misurazioni con spettro fotometro professionale)

Luce a Led e luce fluorescente (Misurazioni con spettro fotometro professionale)

Luce a Led e luce fluorescente (Misurazioni con spettro fotometro professionale)

Luce a led e luce fluorescente attinica (Misurazioni con spettro fotometro professionale)

E’ evidente dal confronto fra le varie tipologie di illuminazione che gli spettri forniti dalle lampade a Led ed HQi sono quelle che si avvicinano maggiormente allo spettro della luce solare, mentre le lampade fluorescenti risentono della tipica conformazione a tri-fosforo od a penta-fosforo, evidenziando un picco nello spettro in corrispondenza dei punti evidenziati.
Se i punti vengono studiati per far risaltare i colori ad esempio utilizzando alterazioni proprio verso i colori primari RGB si ha una maggior colorazione in relazione al Rosso, al Blu ed al Verde a scapito però della correttezza tonale.

Altra interessante differenza fra le varie tipologie di luce è la presenza del flickering, che è ovviamente presente solo nelle lampade fluorescenti a differenza di quelle HQi ed a Led

L’effetto è che nel caso usassimo una lampada fluorescente i nostri coralli ed i nostri pesci sarebbero soggetti ad una luce che varia di intensità nel dominio del tempo, in maniera oltremodo veloce, e quindi non avvertibile al nostro occhio, ma non sappiamo se pesci e coralli possano interpretare la cosa diversamente e quali potrebbero essere gli effetti nel medio-lungo periodo. Molto probabilmente nessuno, ma sicuramente è un aspetto non secondario e da tenere in considerazione quando si parla di luce artificiale.

Arrivati a questo punto, dopo aver visto le innumerevoli variabili che contraddistinguono il percorso della luce in natura, è lecito chiedersi se il nostro acquario possa essere troppo illuminato, sebbene questo possa sembrare un controsenso di primo acchito.

Partiamo dai discorsi che spesso si sentono fare fra acquariofili:

• Gli SPS hanno bisogno di luce intensa
• I coralli LPS richiedono meno luce dei coralli SPS
• I coralli molli richiedono meno luce dei coralli duri

Partendo dal presupposto che possa essere corretto ritenere che una intensa illuminazione sia un prerequisito essenziale per il successo nell’allevamento dei coralli simbionti (Acropora, Stylophora, Pocillopora, Montipora, etc.) è altrettanto errato sostenere che un acquario non possa essere “sovrailluminato“.

Come può essere possibile renderci conto di questo fatto? Davvero è possibile che i nostri coralli siano sovrailluminati in contrasto con quanto si è sempre pensato fra acquariofili?

Le opinioni sulla quantità di luce in acquario sono molteplici ed i produttori si prodigano ad offrire fonti di illuminazione sempre più potenti, si è cominciato con le HQi da 70w per arrivare a quelle da 150w e via via fino a lampade da 250, poi 400 ed infine 1000 watt.

D’altro canto gli appassionati, specialmente gli acquariofili appassionati di coralli duri a polipo piccolo (SPS) sono convinti che i loro coralli siano “affamati” di luce.

Sono stati fatti esperimenti documentati che provano che ciò non è del tutto vero, ma lo è solo in parte.

Dobbiamo quindi partire dalle motivazioni che ci permettano di poter dire quanta luce sia sufficiente e necessaria per i nostri coralli. Partiamo quindi dalla misura del Punto di Saturazione

Attraverso l’impiego di un “Misuratore di attività fotosintetica” possiamo chiedere ai coralli quale sia il loro punto di saturazione, questo misuratore non è altro che un fluorometro ad ampiezza modulata (PAM).

Si tratta di uno strumento in grado di “capire” il fabbisogno di luce da parte degli organismi fotosintetici, ivi incluse le zooxanthellae presenti nel tessuto dei coralli.

Il PAM in abbinamento a un misuratore di PAR permette di stimare il numero di fotoni impiegati per la fotosintesi, e quelli in eccesso.

In tal modo si può determinare l’intensità luminosa ideale alla fotosintesi e il “PUNTO DI SATURAZIONE”.

Successivamente si potrà determinare quando si è in presenza di troppa luce e quindi una situazione di “potenziale pericolo” per i coralli noto come “PUNTO DI FOTO INIBIZIONE”.

Riportando su un grafico le variabili in gioco si determina il livello di saturazione/fotoinibizione che si ha quando la curva di fotosintesi diventa piatta.

In questa situazione ipotetica la saturazione inizia ad una intensità di circa 400 µmol·m²·sec (o circa 20,000 lux).

Per capire meglio questi concetti vediamo alcuni esempi applicati ad animali che tutti conosciamo abbastanza bene:

Pavona varians

Punto di saturazione: 110 µmol·m²·s (circa 5,500 Lux)
Punto di foto inibizione:  ~350 µmol·m²·s (circa 17,500 lux).

Porites lutea

Punto di saturazione: ~400 µmol·m²·s (circa 20,000 Lux)
Punto di foto inibizione:  ~750 µmol·m²·s (circa 37,500 lux).

Pocillopora rosa

Punto di saturazione: 275 µmol·m²·s (circa 13,750 lux)
Punto di foto inibizione:  425 µmol·m²·s (circa 21,250 lux).

Montipora capitata

Punto di saturazione: ~135 µmol·m²·s (circa 6,750 lux)
Punto di foto inibizione:  ~250 µmol·m²·s (circa 12,500 lux).

Sinularia Densa

Punto di saturazione: ~207 µmol·m²·s (circa 10,350 lux)
Punto di foto inibizione:  ~400 µmol·m²·s (circa 20,000 lux).

Tridacna maxima

Punto di saturazione: 600 µmol·m²·s (circa 30,000 lux)
Punto di foto inibizione:  nessuna foto inibizione a 1,900 µmol·m²·s (circa 95,000 lux)..

Il punto di saturazione relativamente basso di questi coralli dimostra che non è affatto vero che i coralli sono, nei confronti della luce, delle “spugne insaziabili”.

In effetti in natura sono molteplici le cause che “schermano” la luce del sole, come abbiamo visto nella introduzione (nubi, temporali, riflessioni e rifrazioni, movimento superficiale, inclinazione dei raggi solari, particelle in sospensione, sedimenti, immissione di acque dolci pigmentate e cariche di detriti, bollicine dovute al movimento dell’acqua in superficie e colorazione).

I coralli peraltro possono usare dei meccanismi di “protezione” ritraendo i loro polipi e provocando una sorta di “auto ombreggiamento”, si adattano quindi sia ad una carenza di luce sia ad una sua eccessiva presenza.

Sembra ovvio che livelli relativamente bassi di luce siano migliori che livelli troppo alti per la maggior parte degli animali esaminati. E’ altresì sicuro che livelli di 200-300 µmol photons·m²·s (~10,000 – 15,000 lux) siano sufficienti ad attivare i processi di foto inibizione nella maggior parte dei coralli, con le conseguenze enunciate.

Intensità della luce a 30 cm di profondità con lampade fluorescenti	Intensità della luce a 30 cm di profondità con lampade HQi

In termini pratici si può affermare che i coralli fotosintetici che richiedono una luce veramente intensa come quella generata da sistemi illuminanti con lampadine di 250-400 watt sono una eccezione anzichè la regola.

In presenza di una luce molto intensa al contrario si potrebbe raggiungere un processo di foto inibizione che se a breve termine può essere tollerato, a lungo termine potrebbe portare al rallentamento della crescita
se non anche al deperimento dell’animale stesso.

E’ altresì ovvio che il tutto deve essere parametrato anche alla vita media delle nostre lampade, alla profondità della nostra vasca ed alla temperatura di colore delle nostre lampade che influenzano in maniera importante la potenza luminosa.

La seguente tabella mostra i livelli di saturazione in varie specie che siamo soliti allevare nei nostri acquari.

Cliccate sulla tabella per vederla a schermo intero

Per chiudere ricordiamoci un insegnamento dalla natura, guardando la seguente fotografia

Alcune specie di Acropora perfettamente acclimatate a 76m di profondità.

In questo caso una immagine vale più di mille parole: La maggior parte dei coralli duri è in grado di adattarsi a situazioni di luce estreme, il che non significa che TUTTI i coralli possano vivere con poca luce: ovviamente occorre sempre il buon senso ma soprattutto un po’ di sensibilità.

Per approfondire l’argomento vi consigliamo le seguenti letture, su cui è fondata questa relazione:

“Coral Coloration and Incident Light: A Photographic Essay” – Departments of Chemistry, Ind. and Manufacturing Eng., The Pennsylvania State University, Ken S. Feldman, Lauren F. Vernese, Elizabeth A. Huber, Kelly M. Maers, Matthew R. Test (Marzo 2008)

“Glitter Lines: More Than Aesthetic?“, By Dana Riddle (Maggio 2006)

“How Much Light?! Analysis of Selected Shallow Water Invertebrates”  Light Requirements, By Dana Riddle (Marzo 2007).

“Underwater Light Field and its Comparison to Metal Halide Lighting“ By Sanjay Joshi (Agosto 2005)