Botanica generale

Botanica

Valerio Piloni

Università degli Studi della Tuscia

Introduzione alla botanica

Lo studio della botanica nasce nell'antica Grecia, principalmente come attività di interesse medicinale. Aristotele è il primo a notare la differenza principale tra piante e animali che è semplicemente come si nutrono. Le piante sono autotrofe, capaci di nutrirsi da sole attraverso sostanze inorganiche; gli animali sono eterotrofi, per nutrirsi hanno bisogno di altri esseri viventi. Teofrasto viene definito padre della botanica.

Teofrasto e i suoi contributi

Importanza storica ne sono due dei suoi trattati: Storia delle Piante (Historia Plantarum), che nei suoi nove libri, si propone di indagare in modo scientifico il mondo vegetale. Lo scritto si apre con una riflessione in cui Teofrasto spiega che, per conoscere le differenze tra le varie specie di piante, occorre considerare le loro parti, le loro qualità, il loro modo di riprodursi e di vivere. Si indicano quindi alcune classificazioni, mostrando come alcune parti della pianta siano perenni quali la radice, il tronco o i rami, mentre altre si generano attraverso la riproduzione, come le foglie, i frutti e i fiori. Si distinguono poi le piante in base alla loro morfologia (alberi, arbusti, arbusti nani ed erbe), al modo in cui crescono (domestiche o selvatiche) e al luogo in cui si sviluppano (acquatiche o terrestri). Per primo assegna loro un nome binomiale, definisce alcune famiglie come, ad esempio, quelle comprendenti i cereali, legumi, palme e conifere.

De causis plantarum (Spiegazione delle piante), composto da sei libri e riguardante la riproduzione delle piante e la loro fisiologia, riprendendo le specie già menzionate nel trattato precedente. Si illustra anche la generazione delle piante a partire dai semi, rami o frutti, nonché i fenomeni meteorologici che influenzano la loro crescita. Nel IV libro viene dedicato un aspetto significativo, quale quello degli odori e sapori. Rifacendosi agli insegnamenti di Aristotele, Teofrasto distingue i sapori in otto classi a loro volta suddivise in otto categorie a seconda degli effetti provocati sugli organi di senso. Per gli odori, si evidenzia come essi si concentrino a volte nelle radici, a volte nei rami, nelle foglie o nei fiori, mostrando anche come dalla loro estrazione si ottengano fragranze.

Contributi di Dioscoride e del Rinascimento

Un altro esempio nell'antichità è Dioscoride Pedanio (I sec a.C.), medico, botanico e farmacista greco che esercitò a Roma sotto l'imperatore Nerone. Autore di: De materia medica, un erbario scritto in lingua greca che ebbe una profonda influenza nella storia della medicina. Fu usato per diversi secoli e tradotto in moltissime lingue. Questi contributi furono di enorme importanza, poiché le piante, soprattutto quelle mediche, continuarono ad essere elencate, descritte e raffigurate sempre più minuziosamente in libri chiamati "erbari" per facilitarne il riconoscimento e il successivo utilizzo.

Nel Rinascimento, con l'introduzione del metodo sperimentale, fiorirono le scienze, in particolar modo la botanica. Fu Luca Ghini (1519-1602), fondatore del primo orto botanico al mondo (1543, Pisa), a ideare gli erbari di piante essiccate così come sono realizzati oggi. Di rilevante importanza anche Andrea Cesalpino, allievo di Ghini, che fu il primo a riaffrontare il tema della classificazione attribuendo importanza alla morfologia degli organi riproduttivi. Autore anche di uno dei primi erbari essiccati al mondo, sicuramente il primo vero erbario sistematico, 1563, formato da un unico volume. Composto da 266 fogli con 768 specie, piante disposte secondo un criterio sistematico basato sull'osservazione dei caratteri riproduttivi. Un criterio ritenuto importante e studiato dallo stesso Cesalpino ancor prima che il famoso scienziato Carlo Linneo, stabilisse nel 1753 delle precise regole di classificazione e denominazione delle piante.

Il sistema di classificazione di Linneo

Si deve allo scienziato svedese Carlo Linneo (1707-1778), il sistema binomiale di denominazione delle piante e degli animali ancora oggi in uso. Autore di Systema naturae, la più grande opera di classificazione della natura. Congegnò un sistema semplice per raggruppare tutte le piante in 24 classi a seconda del numero e disposizione delle parti sessuali delle piante in esame. Con Linneo ogni pianta è identificata da un binomio latino, in cui il primo nome, in maiuscolo, si riferisce al genere, ed il secondo, minuscolo, alla specie. Questo modo si chiama nomenclatura binomia es. Rosmarinus officinalis.

L'epiteto specifico, da solo, non basta a identificare la specie; specie diverse, infatti, possono presentare epiteti specifici uguali, ma appartenere a generi diversi. es. Rosmarinus officinalis, Salvia officinalis. Lo stesso vale per l'epiteto del genere. es. Camellia japonica Camellia sinensis. Il nome dell'autore che ha descritto l'entità, dettosi patronimico, viene quasi sempre abbreviato in maniera codificata, es. Linneo si abbrevia sempre con L. Se un secondo autore ne cambia il rango tassonomico, vengono citati entrambi: tra parentesi chi ha descritto la specie, fuori chi l'ha ricombinata. es. Camellia sinensis (L.) Kuntze.

Caratteristiche distintive delle piante

Che cos'è una pianta e in che cosa si distingue da un animale. Come abbiamo detto in precedenza, Aristotele ha differenziato gli animali dalle piante in base alla loro capacità di nutrimento; quindi, possiamo dire che in natura esistono tre diversi metodi di nutrimento e che ciò differisce tra di loro gli esseri viventi:

• Autotrofi o produttori: organismi in grado di produrre autonomamente il loro nutrimento, partendo da una sostanza inorganica, CO2, acqua e sali minerali, in sostanza organica attraverso il processo fotosintetico.
• Eterotrofi o consumatori: sono organismi che da un punto di vista nutrizionale hanno bisogno di molecole organiche prodotte da un autotrofo. Per lo più ingeriscono il cibo (altri viventi) come nel caso degli animali.
• Eterotrofi Saprofiti o Decompositori: sono organismi che si nutrono a spese dell’ambiente, e da organismi già morti, come ad esempio i funghi.

Come detto prima, i vegetali sono in grado di fabbricare da soli sostanze organiche (zuccheri) ricche di energia partendo da sostanze inorganiche. Alghe, piante e alcuni batteri sono autotrofi distinti in fotoautotrofi (energia solare come fonte di energia) e chemio autotrofi che ricavano l'energia da reazioni di ossido-riduzione come, ad esempio, i batteri nitrificanti che ossidano l'ammoniaca a nitriti e i nitriti in nitrati oppure i solfobatteri che ossidano i composti solforati. Grazie alla presenza di alcuni pigmenti, tra cui importante la clorofilla, le piante combinano l'ossigeno e il carbonio della CO2 con l'idrogeno dell'acqua, producendo il glucosio, attraverso il processo fotosintetico. Già all'interno di questo processo si creano differenti sostanze polisaccaridi come amico, cellulosa e il saccarosio (il comune zucchero da cucina).

Livelli trofici e sostenibilità

Nella catena alimentare si distinguono diversi livelli trofici. Per livello trofico, si intende la posizione che un individuo, facente parte di un gruppo, occupa rispetto al livello trofico di base che è rappresentato dagli autotrofi, produttori. I livello trofico: autotrofi, produttori: piante; II livello trofico: eterotrofi, consumatori primari: animali erbivori; III livello trofico: eterotrofi, consumatori secondari: animali carnivori; IV livello trofico: eterotrofi, consumatori terziari: animali al vertice della catena: onnivori.

La seconda legge della termodinamica stabilisce che avviene una conversione o trasformazione di energia, una quota di essa viene persa sotto forma di calore. Questa perdita di energia avviene anche tra un livello trofico ad un altro. E quindi considerando che tra un livello trofico ad un altro la perdita è circa del 90%, solo il 10% risulta essere utile. Da ciò si evince che nutrirsi di animali e prodotti ad essi correlati sia, dal punto di vista energetico decisamente poco sostenibile. Andando ad analizzare i dati, una dieta perlopiù carnivora, vengono utilizzati 1.3 acri= 5261 mq all'anno per nutrire una sola persona; mentre invece una dieta vegetariana, la stessa metratura soddisfa 14 persone l'anno. Per ricollegarsi al discorso di prima, della perdita di energia tra un livello ed un altro, andiamo a fare un esempio: per poter creare 1 cal. di petto di pollo, il pollo deve assumere 9 cal. di mangime, è subito evidente la perdita di energia. La stessa cosa vale per poter assumere 1 cal. di carne di manzo, il manzo dovrà mangiare 40 cal. di mangime. Questo va anche a discapito delle terre coltivate, perché appunto data la quantità enorme di richiesta di carne di animale, 1/3 delle terre coltivate è usato solo ed esclusivamente per la creazione di campi atti a nutrimento per animali.

Le specie e la tassonomia

Theodosius Dobzhansky fu tra i primi a stabilire che la specie è rappresentata da un insieme di individui in grado di generare una prole fertile. In natura però possono anche avvenire casi di animali non fecondi, come il mulo ad esempio (unione tra asino e cavallo), quindi tra i pochi casi di prole non feconda ottenuta da specie diverse. Questo però avviene nel regno animale, nel mondo vegetale, invece, le piante sono molto più predisposte tra le relazioni interspecie, detti incroci intraspecifici, un esempio molto calzante è il Platanus hybrida, che fu il primo ibrido individuato intorno al 1600 in Spagna, in una zona in cui erano state piantate vicine diverse specie di Platano.

Il Platanus hybrida è ottenuto dall'unione tra: Platanus occidentalis, giunto in Europa dall'America nel XVII secolo, Platanus orientalis, già noto fin dall'antichità. Le rose sono un altro fra i moltissimi esempi di incrocio fra individui di specie diverse con la conseguente generazione di quelli che vengono indicati come ibridi, che nel regno vegetale in buona parte dei casi sono fertili, rispetto al regno animale. Più individui morfologicamente e geneticamente simili appartengono ad una stessa specie; più specie morfologicamente e geneticamente simili appartengono ad uno stesso genere.

Specie e generi sono TAXA, raggruppamenti tassonomici, e sono organizzati secondo un ordine gerarchico. Gli otto TAXA sono suddivisi in:

• Dominio o Super regno
• Regno
• Divisione
• Classe
• Ordine
• Famiglia
• Genere
• Specie

I Domini o super regni sono suddivisi in tre: Dominio Archea, Bacteria ed Eukarya. Il dominio archea è un regno che comprende i procarioti più arcaici, con pareti e membrane diverse da quelle di tutti gli organismi viventi; vivono in condizioni di elevata salinità (alofili), ad elevate temperature (termofili), e quelli che possono produrre metano (metanogeni). Il dominio bacteria è un unico regno che comprende i procarioti più diffusi sulla terra, con una parete cellulare costituita da peptidoglicani (ovvero polimeri perlopiù costituiti da zuccheri e amminoacidi che formano uno strato simile a una rete al di fuori della membrana plasmatica della maggior parte dei batteri, formando la membrana cellulare), presenti in tutti gli ambienti, e possono essere sia autotrofi che eterotrofi. Il dominio Eukarya comprende tutti gli eucarioti autotrofi ed eterotrofi che sono suddivisi in quattro regni: Protisti (organismi eucarioti unicellulari che però non formano tessuti), Plantae, funghi e animali.

Le discipline della botanica

La botanica, come detto quindi all'inizio, è lo studio dei vegetali ed include diverse discipline:

• Morfologia vegetale, che studia la forma esterna degli organismi vegetali
• Citologia, istologia ed anatomia vegetale, che studia la struttura interna ed include la citologia (studio a livello cellulare), l'istologia (lo studio dei tessuti) e l'anatomia (lo studio degli organi)
• Sistematica vegetale: studia i rapporti di parentela tra le specie e ricostruisce la storia evolutiva
• Fisiologia vegetale, che studia le funzioni vitali
• Ecologia vegetale, che studia le relazioni tra gli organismi e l'ambiente
• Botanica farmaceutica, che studia le molecole chimiche con proprietà farmacologiche prodotte dalle piante
• Biotecnologie vegetali, che applica le tecniche di ingegneria genetica alle piante per introdurre nuovi caratteri

Le macromolecole biologiche

La composizione chimica degli esseri viventi si compone di: elementi e composti inorganici, acqua e molecole organiche. Di tutti i 92 elementi naturali, 6 da soli fanno parte del 99% di tutta la sostanza vivente. E tra questi abbiamo: Carbonio C, Idrogeno H, Azoto N, Ossigeno O, Fosforo P, Zolfo S. Questi elementi non saranno tra i più abbondanti sulla terra, ma sono in assoluto i più abbondanti nei viventi.

L'acqua costituisce più del 50% della materia vivente e può arrivare fino al 90% nei tessuti vegetali. È un ottimo solvente ed è l'ambiente in cui vengono svolte tutte le reazioni metaboliche cellulari. Si compone di 2 atomi di H, 1 atomo di O con due legami covalenti: ogni elettrone di H è messo in legame con un elettrone dell'atomo O.

Le molecole organiche invece, sono molecole contenenti carbonio che compongono o che si trovano all'interno di organismi viventi. Una singola cellula batterica contiene più di 5000 tipi di molecole organiche differenti. Come detto prima, il 50-95% di un organismo vivente è costituito da acqua, l'1% da piccoli ioni come sodio, potassio e calcio. Il resto è molecole organiche.

Negli organismi si trovano grandi quantità di quattro tipi di diverse molecole organiche, tutte di grandi dimensioni, e quindi dette macromolecole, e sono: i Carboidrati, i Lipidi, le Proteine e gli acidi nucleici.

I carboidrati sono anche più comunemente conosciuti come zuccheri e sono tra le macromolecole più abbondanti sulla terra. I carboidrati sono dei monosaccaridi, ovvero un tipo di monomero o molecola, capace di combinarsi con molecole simili per creare un polimero. All'interno delle cellule sono utilizzati per produrre e immagazzinare energia. Gli scheletri dei più comuni monosaccaridi sono catene di carbonio non ramificate in cui tutti gli atomi di carbonio sono legati da legami semplici. Nella forma a catena aperta, uno degli atomi di carbonio stabilisce un doppio legame con un atomo di ossigeno per formare un gruppo carbonile. Ciascuna degli altri atomi di carbonio ha un gruppo ossidrile. Se questo gruppo carbonile è alla fine della catena di carbonio, il monosaccaride prende il nome di aldosio (dal gruppo aldeidico), se invece il gruppo è in qualsiasi altra posizione si chiamerà chetoso (dal gruppo chetonico). I monosaccaridi con tre, quattro, cinque, sei, sette atomi di carbonio sono chiamati triosi, tetrosi, pentosi, esosi, peptosi.

Carboidrati e polisaccaridi

Il D-glucosio esiste in soluzione come emi acetale (reazione tra aldeide o chetone con alcool) intermolecolare in cui il gruppo idrossile libero in C-5 ha reagito con l'aldeide C-1. Un disaccaride invece è formato da due monosaccaridi (ad esempio, due molecole di D-glucosio formano il disaccaride maltosio). Un disaccaride è un acetale ed il legame che si forma è chiamato legame acetilico oppure comunemente detto legame O-glicosidico. In particolare, il gruppoalcolico - OH di uno dei due monosaccaridi condensa con l'emiacetale intramolecolare dell'altro monosaccaride. L'acqua viene eliminata e si forma un glicoside con un legame glicosidico. L'inversione è l'idrolisi tramite l'attacco di una molecola d'acqua su questo legame. I disaccaridi più comuni abbiamo il saccarosio (glucosio+fruttosio), il più comune zucchero da cucina che si trova largamente in natura nella frutta, e nel miele. Industrialmente si estrae dalle piante come la Beta vulgaris o da Saccharum officinarum note come barbabietola da zucchero e canna da zucchero.

Il maltosio (glucosio+glucosio con legame glicosidico), uno zucchero che si può estrarre dal malto ed è presente nei semi germinanti come quelli dell'orzo quando scindono le riserve di amido. Si presenta in cristalli incolori, solubili in acqua e si usa come agente dolcificante nell'industria dolciaria e nei processi fermentativi della birra. n.b il malto è la cariosside di un cereale che ha subito germinazione.

Il lattosio (galattosio+glucosio) costituisce il 5% ca del latte dei mammiferi ed è il 95% di zucchero presente nel latte.

I polisaccaridi

La maggior parte dei carboidrati presenti in natura si presenta sotto forma di polisaccaridi, polimeri di peso molecolare elevato aventi monosaccaridi come monomeri. I polisaccaridi, anche detti glicani, si differenziano tra di loro per:

• L'identità delle loro unità monosaccaride
• La lunghezza delle loro catene
• I tipi di legami che collegano le unità monosaccaride
• Il grado di ramificazione

I polisaccaridi possono essere formati tutti dalle stesse unità monosaccaride, in quel caso sono detti omopolisaccaridi. A loro volta essi posso essere suddivisi in lineari o ramificati, ciò dipende dalla loro forma. Gli etero polisaccaridi invece, contengono due o più tipi di monosaccaridi e anch'essi possono essere lineari o ramificati.

L'amido - polisaccaride di riserva

L'amido è un omopolisaccaride di riserva composto da residui di glucosio. Si trova nel citoplasma delle cellule vegetali in organelli cloroplasti e amiloplasti. L'amido è ampiamente idratato perché ha molti legami ossidrilici esposti, impiegabili in legami idrogeno-acqua. L'amido è un materiale che si immagazzina nelle radici, nei fusti e nei semi di una pianta. È costituito da due importanti componenti: amilosio AM, e amilopectina AP dall'origine botanica, il rapporto è AP 80-20 AM oppure AP 70-30 AM. Le principali fonti di amido sono il mais, il frumento, le patate e la manioca. Come abbiamo già detto l'amido è composto da due polimeri: Amilosio e Amilopectina. L'amilosio è un polimero lineare formato da residui di glucosio collegati tramite legami α1-4. L'amilopectina è sempre un polimero ramificato di residui di glucosio con i legami in α1-4, i punti di ramificazione di collegamento sono invece 1-6 e si verificano.