Botanica 1

Botanica

Obiettivi del corso

• Acquisizione delle conoscenze di base sull’organizzazione citologica, istologica, anatomica e funzionale dei vegetali.
• Uso delle piante per la medicina veterinaria e le produzioni animali (sostenibilità dell’agricoltura, OGM, impiego di piante come composti funzionali della dieta, sistemi di fitodepurazione).

La vita non vivente e vivente

Composizione - Possono essere fatti di tutti i tipi di materiali esistenti sulla Terra.

Composizione - C, H, O, N, P, S sono i principali elementi chimici. Gli esseri viventi sono costituiti principalmente da acqua e sostanze organiche (proteine, carboidrati, grassi, ecc.) e le sostanze inorganiche sono presenti in piccole quantità. L’acqua è il componente più abbondante.

Ciclo vitale - Non esiste un preciso ciclo di vita che si perpetua nelle generazioni.

Ciclo vitale - Nascita, sviluppo, morte. È complesso e dura un tempo limitato.

Unità morfofunzionale - I non viventi non hanno cellule.

Unità morfofunzionale - Tutti gli esseri viventi sono formati da cellule (monocellulari o pluricellulari). La cellula è quindi l’unità di base di ogni essere vivente.

Evoluzione - Non è in relazione all’adattamento all’ambiente per creare condizioni di vita migliori.

Evoluzione - Gli esseri viventi si evolvono nel tempo adattandosi alle condizioni ambientali meglio rispetto ai loro antenati.

Materia ed energia - Non hanno metabolismo e non necessitano nemmeno di energia o materia.

Materia ed energia - Metabolismo. Gli esseri viventi hanno bisogno di materia ed energia ed hanno uno specifico metabolismo (autotrofi/eterotrofi). Gli organismi sono in grado di reagire agli stimoli ambientali in modo intelligente e non casuale. Questo permette loro di svilupparsi meglio, di nutrirsi e riprodursi.

Gli esseri viventi appaiono strutturati in modo molto ordinato in livelli gerarchici: le cellule sono raggruppate in tessuti, a loro volta raggruppati in organi, che possono formare un apparato o un sistema. Un insieme di sistemi/apparati forma il singolo organismo. L’informazione ereditaria, codificata sui geni e trasmessa alla prole, controlla la crescita e lo sviluppo di tutti gli organismi viventi.

Interazione con l’ambiente

L’ambiente influenza la vita. Esistono fattori sia abiotici che biotici che possono condizionare lo sviluppo e le strategie per aumentare la possibilità di sopravvivenza in un determinato ambiente (selezione naturale). Abiotico: fattori inorganici che inducono cambiamenti (es. fattori geologici, climatici). Biotico: organismi che agiscono sulla vegetazione inducendo un mutamento (es. spinescenza, sostanze tossiche).

La spinescenza e la produzione di sostanze tossiche infatti non sono altro che alcune delle risposte alle spietate lotte ataviche tra erbivori e piante: la loro coevoluzione ha creato quello che oggi chiamiamo ‘equilibrio vegetazionale’. La produzione da parte delle piante di sostanze tossiche e/o spinescenza può avere cause indipendenti o non legate alla sola attività dell’erbivoro. Fattori climatici hanno influito nella trasformazione delle foglie in strutture con ridotto indice di area fogliare al fine di limitare l’evaporazione (piante spinose tipiche degli ambienti aridi o con elevata insolazione).

Oli essenziali come semiochimici

Gli oli essenziali (come semiochimici) sono sostanze chimiche di segnalazione che un organismo può rilevare nel suo ambiente naturale e che modificano il suo comportamento. Sono attivi nell’evocare il comportamento a concentrazioni molto ridotte.

Ci sono due classi di segnali semiochimici:

• Feromoni - Comunicazione intraspecifica tra animali.
• Allelochimici - Comunicazione interspecifica, relazione pianta/pianta, pianta/insetto.

Allomoni: sostanze che beneficiano solo l’emettitore (oli essenziali che gocciolano ai piedi di un albero per impedire la germinazione di altri vegetali). Cairomoni: sostanze che beneficiano il ricevente ma non l’emettitore (composti volatili emessi da piante che attraggono i fitofagi). Sinomoni: sostanze che mediano una relazione mutualistica (profumo dei fiori per insetti pronubi).

Adattamenti evolutivi

Adattamenti che si sono evoluti nel corso di molte generazioni attraverso il successo riproduttivo degli individui dotati di tratti ereditatili particolarmente adattati al loro ambiente di vita.

Riproduzione

Processo attraverso il quale organismi viventi generano altri individui della stessa specie (discendenti). È un punto cruciale dell’esistenza di un individuo perché permette la trasmissione delle informazioni genetiche da una generazione a quella successiva.

Teoria cellulare

Basi della biologia moderna: la biologia riconosce la cellula come l’unità base della vita. I geni sono la base dell’ereditarietà genetica. L’evoluzione è il processo che regola la nascita e l’estinzione delle specie. Gli organismi viventi sono sistemi aperti che trasformano l’energia per regolare e mantenere stabile l’ambiente interno: omeostasi.

Teoria cellulare (1838-1839):

• La cellula è l’unità fondamentale della vita e tutti gli esseri viventi sono costituiti da una o più cellule.
• Le singole cellule hanno tutte le caratteristiche proprie di una forma di vita. Le reazioni chimiche di un organismo vivente, compresi i meccanismi di liberazione dell’energia e le reazioni di biosintesi, hanno luogo dentro le cellule.
• Tutte le cellule derivano da altre cellule attraverso la divisione cellulare. Negli organismi pluricellulari, ogni cellula del corpo di un organismo deriva da una singola cellula fecondata.

Teoria cellulare (oggi): metabolismo, tutte le funzioni di trasferimento dell’energia che avvengono all’interno della cellula. Ogni cellula contiene le informazioni genetiche ereditarie (DNA) che viene trasmessa da cellula a cellula durante i processi di divisione cellulare.

I geni sono la base dell’ereditarietà genetica: il DNA è costituito da una sequenza di geni, ciascuno codificante per una specifica proteina che ha una specifica funzione nell’organismo. Il codice genetico è universale: ogni tripletta ha lo stesso significato in tutti gli organismi viventi. Degenere/Ridondante: più triplette codificano per lo stesso amminoacido. Avendo a disposizione 4 nucleotidi (A, G, C, T) possiamo ottenere 4³ = 64 triplette. 3 di queste sono utilizzate come segnale di termine (UAA, UAG, UGA). 61 sono utilizzate per gli amminoacidi - ma gli amminoacidi a disposizione sono solo 20.

Evoluzione - L’evoluzione è il processo che regola la nascita e l’estinzione delle specie. Tutte le forme di vita conosciute hanno un’origine comune; le modifiche degli organismi viventi si sono verificate attraverso l’evoluzione.

Evoluzione chimica

L’esperimento di Miller e Urey (1953): la comparsa sulla Terra fu preceduta da una lunga serie di eventi che prende il nome di evoluzione chimica (Oparin). Sintesi spontanea di molecole - Oparin ipotizzò che, in tali condizioni, dai gas dell’atmosfera si sarebbero potute formare grandi quantità di molecole complesse, che in seguito si sarebbero raccolte nei mari e nei laghi del pianeta dando origine ad un ‘brodo primordiale’. La formazione del brodo primordiale contenente molecole organiche non è tuttavia sufficiente a dire che sia originata la vita.

Evoluzione prebiologica

Passo cruciale: la sintesi di molecole autoreplicanti. Secondo le ipotesi più accreditate, la prima molecola autoreplicante comparsa sulla Terra è stato l’RNA. Il DNA si sarebbe poi evoluto in un secondo momento. La pressione selettiva ha dato origine a molecole mutanti (casualmente): le varianti più efficienti sarebbero divenute poi dominanti nel brodo primordiale.

Altri eventi chiave:

• Associazione ad altre molecole (proteine) in complessi sovramolecolari.
• Formazione di strutture membranose in grado di costituire un ambiente chiuso e controllato in cui potessero avvenire reazioni chimiche differenti da quelle dell’ambiente esterno.

Omeostasi è la capacità di un sistema aperto di regolare il suo ambiente interno al fine di mantenere condizioni stabili.

Rilevamento della perturbazione ↓ Aumento o riduzione di una attività per rispondere alla perturbazione

3 domini principali

Il più comune metodo di classificazione divide il sistema in 3 domini principali in funzione della presenza del nucleo e delle differenze nella costituzione dei ribosomi:

• Archea - Molti dei procarioti conosciuti come Archea vivono in ambienti e condizioni estreme (laghi salati, sorgenti calde termali).
• Batteri - Batteri procarioti maggiormente diversificati e diffusi.
• Eucarioti (protisti, funghi, animali, piante)

Ribosomi 70s e 80s - coefficiente di sedimentazione. Le dimensioni dei ribosomi vengono espresse con il coefficiente di sedimentazione. Numero dimensionale che misura il rapporto tra la velocità di sedimentazione (ultracentrifugazione in gradiente di intensità) di un corpo ideale (sfera) e quella del corpo in esame (organulo o macromolecola), a parità di condizioni di riferimento. In modo più semplice: quanto velocemente la molecola si muove in una centrifuga. Più sono grandi le particelle, più sarà grande la velocità di sedimentazione e quindi avranno un più alto valore di unica Svedberg (s). I batteri e gli archeobatteri hanno ribosomi più piccoli - 70s. I ribosomi delle cellule eucaristie sono più grandi - 80s.

Cianobatteri

Detti anche alghe azzurre, ma non sono alghe, bensì batteri. Hanno una parete di tipo Gran negativo (membrana esterna di peptidoglicano), sono sempre unicellulari e possono vivere come cellule singole o riuniti in colonie di forme diverse da tondeggianti a filamentose. Possono vivere allo stato libero oppure in simbiosi con alghe, funghi, briofita, felci, gimnosperme e angiosperme. Si trovano in tutti gli ambienti terrestri - oceani, acque dolci, suolo, sorgenti termali, ambienti estremi. Il DNA circolare si trova libero nel citoplasma. Sono assenti mitocondri e cloroplasti. Si trovano numerose strutture tilacoidi, chiamate membrane, contenenti clorofilla e altri pigmenti fotosintetici necessari a catturare l’energia solare per la sintesi degli zuccheri. Sono batteri fotosintetici, evolutivamente antichi con una grande adattabilità. Sono ritenuti essere gli organismi che hanno prodotto per primi l’ossigeno atmosferico come scarto della fotosintesi ossigenica. Per la fotosintesi, i cianobatteri non utilizzano solo quella parte dello spettro visibile (piante verdi), ma possiedono una grande adattabilità all’ambiente e maggiore efficienza. Oltre alla clorofilla a, possiedono altri pigmenti fotosintetici, in particolare le ficobiline (tra cui la ficocianina, azzurro), la ficoeritrina (rossa) e l’alloficocianina. Queste strutture sono organizzate in ficobilisomi = strutture con 300/400 molecole di cromoforo che catturano e trasportano la luce al centro di reazione.

I cianobatteri sono in grado di effettuare la fissazione dell’azoto → trasformano l’azoto atmosferico (N₂) in azoto ammoniacale (NH₄⁺ e NH₃), rendendolo disponibile alle forme di vita vegetali. Vengono utilizzati nell’agricoltura sostenibile per diminuire la fertilizzazione, assorbire minerali pesanti e aumentare la resa in proteine. Spesso però la presenza troppo elevata di cianobatteri, per esempio negli acquari, può essere un problema. Vengono quindi contrastati tramite allelopatia → allelochimici prodotti da piante o alghe. L’eccessivo apporto di nutrienti (in particolare fosforo e azoto) favorisce l’abbondante crescita di differenti specie di cianobatteri, micro e macro-alghe. Le condizioni climatiche ideali per i cianobatteri sono temperature di 10-30°C, assenza di vento, basse pressioni, assenza di turbolenza delle acque. Ammassi galleggianti molto vistosi detti scums o schiume, di colore variabile dal verde brillante fino al rosso mattone, indicano la presenza abbondante di cianobatteri: non è indice di inquinamento perché sono presenti naturalmente, però se superano i 100.000 cellule/ml devono essere prese delle misure nelle acque di balneazione (tossine da morte cellulare: vietata balneazione se le tossine superano i 25µg/ml).

Spirulina - Fonte preziosa di proteine: in percentuale ne contiene tra il 60% e il 70% in sostanza secca. È quindi un’alternativa proteica da proporre a soggetti che presentano carenze nutrizionali. L’aspetto interessante è che la spirulina contiene quasi tutti gli amminoacidi essenziali. (Non contiene però vitamina B₁₂).

Batteri azotofissatori

L’azoto è il gas maggiormente presente nell’atmosfera (N₂), ma le piante non riescono ad utilizzarlo. Esistono quindi i batteri azotofissatori appartenenti al genere Rhizobium (16 specie). Si insediano nelle radici dell’ospite nei tipici noduli radicali delle leguminose (soia, pisello, fagioli, trifoglio, erba medica). Sono batteri chemioautotrofi (traggono energia da sostanza inorganiche) che vivono nei noduli delle radici delle leguminose. Sono batteri diazotrofi = utilizzano l’azoto atmosferico e lo trasformano, tramite l’enzima nitrogenasi, in sostanze azotate biologicamente più utili (ammoniaca/ammonio). La reazione di azotofissazione può essere ridotta come segue: N₂ + 8H⁺ + 8e^- + 16ATP → 2NH₃ + H₂ + 16ADP + 16P_i (16 ATP per ogni 2NH₃).

La zona interna dei noduli è rossa per la presenza di leghemoglobina: lega l’ossigeno per la respirazione e limita i suoi livelli evitando che la nitrogenasi venga inattivata. È una molecola simbolica: il gruppo EME è sintetizzato dal batterioide, mentre la parte globinica è prodotta dalla cellula vegetale. Si formano quindi caratteristici tessuti vascolari che si sviluppano proprio all’interno dei noduli radicali. Rapporto simbiontico tra genere Rhizobium e leguminose a rapido accrescimento: i Rhizobium cedono alla pianta il 90% dell’azoto fissato e secernono alcuni amminoacidi nel terreno. La pianta fornisce invece carboidrati (energia), proteine e minerali. All’interno delle cellule vegetali, i Rhizobium subiscono mutamenti di forma e dimensione (x30 volte), differenziano la struttura azoto-fissatrice, si avvalgono di una membrana plasmatica di origine vegetale e si trasformano in batteroidi iniziando il rapporto simbiotico che comporta un controllo da parte della pianta nella loro riproduzione.

Quando la pianta muore (e con essa anche i batteri simbionti), le grandi quantità di composti azotati che si sono accumulate dentro tali microrganismi vengono rilasciate nel terreno, che perciò riceve un apporto di azoto supplementare e certamente di gran lunga superiore a quello che può essere ottenuto dalla semplice degradazione dei soli tessuti vegetali morti. (Per questo spesso si utilizzano le leguminose a rotazione nell’agricoltura). La fissazione dell’azoto si compie in modo efficiente soltanto finché è possibile la fotosintesi da parte delle piante ospiti. Qualora questa venga impedita per lungo tempo, i microrganismi presenti nei noduli radicali possono addirittura trasformarsi.