Botanica sistematica

Introduzione alla botanica

La botanica è la disciplina della biologia che studia le forme di vita del mondo vegetale cioè gli organismi vegetali.

Classificazione nell’antichità (Aristotele) vegetale/animale

Un vegetale è un essere vivente che non si muove e non mangia; mentre un animale è un essere vivente che mangia e si muove. Questo è un concetto che ha funzionato fino al 1700; fino a che Linneo non ci ragionò sopra in quanto le definizioni di Aristotele non gli piacevano perché comunque i semi che galleggiano si muovono trasportati da qualcos’altro ma si muovono, oppure le balle che rotolano nei film western comunque sia si muovono, i girasoli seguono la luce del sole e si girano e le piante carnivore si muovono e vanno anche a digerire le mosche perché ricche di proteine e di conseguenza d’azoto.

Le piante non solo sono capaci di movimento, non solo sono capaci di percepire l'ambiente esterno in vario modo ma riescono anche a comunicare tra di loro attraverso messaggi chimici, le radici e altri sistemi a noi ancora sconosciuti. Una volta che percepiscono ciò che accade nell’ambiente esterno modificano il loro comportamento e il loro stato, per esempio producono sostanze velenose per i predatori, se invece percepiscono vibrazioni particolari prodotte dall’insetto impollinatore producono più nettare in modo da ricompensarlo del servizio che l’impollinatore sta facendo (deve trasportare il polline da un fiore all’altro e permettere la fecondazione della pianta e la riproduzione sessuale).

Le caratteristiche di un organismo vegetale vs organismo animale

Le piante sono organismi fotosintetici autotrofi cioè non mangiano, si producono nutrimento da sé stesse attraverso la luce del sole e il processo fotosintetico. Non tutte le piante sono autotrofe: ci sono delle piante che mangiano come quelle carnivore oppure ci sono piante predatrici e che sono parassite di altre, ci sono altre che non sono capaci di effettuare la fotosintesi e che assorbono attraverso le loro radici la ninfa di altre piante.

I funghi, che non sono piante ma “organismi vegetali”, non sono autotrofi ma si nutrono andando a decomporre la materia organica. Gli animali invece sono eterotrofi ma ci sono poche eccezioni come i molluschi marini che fotosintetizzano.

Gli organismi vegetali sono organismi sessili cioè che di solito sono attaccati al substrato (terreno) con mobilità limitata, cioè si possono muovere ma non possono alzarsi ed andare da un’altra parte; fatta eccezione dei gameti maschili che possono essere flagellati e quindi spostarsi tramite il flagello, i semi possono galleggiare e possono essere trasportati dal vento, le spore possono essere trasportate dal vento. Mentre gli animali sono solitamente organismi vagili cioè si muovono ma non tutti come ad esempio le spugne.

Di solito le piante hanno molto sviluppate le strutture esterne: la chioma, le radici, le foglie. Mentre negli animali ciò che è molto sviluppato è la superficie interna: i polmoni formati da tanti alveoli, l'intestino, i reni.

Le piante hanno un accrescimento indefinito, cioè possono accrescersi per tutta la loro vita. Mentre gli organismi animali arrivano ad un certo punto e finisce la crescita perciò si parla di accrescimento finito.

Le piante non hanno un sistema nervoso centrale ma per elaborare le informazioni dall’esterno qualcosa devono possedere. Mentre gli animali hanno un sistema nervoso centrale cioè il cervello, ma non tutti posseggono il cervello.

Gli organismi vegetali hanno una circolazione aperta cioè prendono l'acqua dal terreno, la trasportano lungo tutto il proprio corpo e riemettono acqua all'esterno dalle foglie tramite un processo detto traspirazione. La pianta trasporta, oltre all’acqua e ai sali minerali, un altro liquido che è detto linfa elaborata arricchita da tutta una serie di sostanze nutritive tra cui zuccheri, amminoacidi e che viene trasportata in un tessuto deputato proprio al suo trasporto che è sempre adeso allo xilema (legno) che prende il nome di floema.

Nello xilema verrà trasferita l’acqua e i sali minerali dalle radici alle foglie contro la pressione di gravità; nel floema invece verrà trasportata la linfa elaborata in tutte le direzioni perché gli zuccheri e gli aminoacidi devono essere diffusi in tutto il resto della pianta. Anche il trasporto della linfa è una circolazione aperta; mentre gli animali hanno una circolazione chiusa, il sangue rimane sempre all'interno.

Giorgia Arcadi

Le piante sono organismi ectotermici cioè non hanno la capacità di regolare la propria temperatura corporea e sono sempre in equilibrio con la temperatura dell'ambiente esterno; mentre gli animali possono essere sia ectotermici che endotermici. Ci sono però delle eccezioni perché ci sono delle piante che riescono a regolare per breve tempo la propria temperatura. Una di queste piante è l'Arum Italico o in generale qualsiasi specie Arum.

Questa ha un’infiorescenza centrale chiamata spadice e poi una brattea, cioè una foglia modificata, detta spata che avvolge l’infiorescenza. Lo spadice nella parte basale presenta numerosi fiori; nella parte più alta presenta dei fiori femminili sterili che hanno uno stilo che sporge verso l'esterno e produce una sorta di peluria rigida, al di sotto ci sono i fiori maschili che produrranno il polline e ancora più sotto ci sono i fiori femminili.

La maturazione dei fiori femminili e maschili è asincrona cioè prima maturano i femminili e poi i maschili. Succede che lo spadice aumenta la propria temperatura diventando più caldo, richiama i moscerini che sono i suoi impollinatori con un odore e con il calore. Questi moscerini scendono lungo la spata, possono passare attraverso la peluria formata dai fiori sterili femminili, arrivano sul fondo dell’infiorescenza con del polline attaccato e vanno a fecondare i fiori femminili.

A questo punto una volta che hanno fecondato i fiori femminili non riescono più ad uscire. L'insetto rimane sul fondo della spata, viene nutrito dal nettare che la pianta produce, viene tenuto al caldo finché i fiori maschili maturano. Essi così producono polline, si aprono i fiori e il polline viene rilasciato; esso va a sporcare gli insetti e a questo punto i fiori sterili femminili seccano e l'insetto riesce ad uscire e andare a visitare un altro spadice.

La botanica cosa studia?

La botanica si occupa di tutti gli organismi vegetali. Gli organismi vegetali appartengono a diversi regni molto diversi tra loro.

La botanica per esempio si occupa di alcuni batteri in particolare dei batteri fotosintetici. I più semplici sono i cianobatteri ovvero un gruppo semplice di batteri che si pensa siano entrati in simbiosi con un progenitore delle attuali cellule vegetali per poi trasformarsi in quelli che saranno i plastidi.

I plastidi derivano da un processo in cui l'endosimbionte era un simile dei cianobatteri. I cianobatteri sono organismi procarioti quindi non hanno nucleo né un sistema endomembranoso.

La botanica si occupa anche di tanti altri organismi più complessi alcuni unicellulari altri pluricellulari.

Si occupa anche dei funghi microscopici e macroscopici. I funghi sono organismi particolari perché sono eterofili quindi non hanno una delle caratteristiche per essere considerati a tutti gli effetti organismi vegetali.

La botanica si occupa anche di alghe unicellulari, pluricellulari e coloniali. Si occupa anche delle piante terrestri, principale oggetto di studio dei botanici, distinte in briofite che comprendono i muschi, pteridofite che comprendono le felci, gimnosperme che comprendono le conifere come il pino e l’abete e le angiosperme che comprendono tutte le altre piante con il fiore.

I botanici si occupano dei muschi poiché non sono delle vere e proprie piante, sono classificati tra le tallofite e i licheni. I licheni derivano dall'associazione di un cianobatterio o di un’alga verde unicellulare (chiamate anche clorofite) con un fungo appartenente o al genere degli ascomiceti o al genere dei basidiomiceti (entrambe queste 2 tipologie di funghi partecipano alla formazione dei licheni).

I cianobatteri sono dei colonizzatori, possono crescere su tutti quei substrati su cui non cresce nulla. Sono i primi organismi che iniziano a colonizzare un substrato, possono crescere sulle rocce, sulla plastica, sul metallo e crescendo creano l'ambiente idoneo per lo sviluppo di altre piante iniziando una successione ecologica.

Possono essere utilizzati anche per studiare lo stato dell'ambiente in cui vivono oppure delle nostre città (per esempio le centraline di bio-rilevamento che rilevano la quantità di polveri sottili, di biossido di carbonio. All’interno di queste ci sono dei licheni che crescono e che a seconda di come crescono danno un’idea di quale sia lo stato dell’ambiente circostante).

Classificazioni degli organismi viventi

I botanici studiano gli organismi appartenenti a diversi regni. Una delle classificazioni degli organismi viventi è:

• I cianobatteri sono procarioti appartengono al regno dei batteri;
• Poi vi è il regno delle piante in cui ci sono la maggior parte degli organismi studiati dai botanici;
• Poi vi è il regno dei protisti dove ci sono i protozoi;
• Poi il regno animale;
• Poi il regno dei funghi.

Più di recente ne è stata proposta un'altra classificazione che distingue 2 grossi super-regni cioè i procarioti e gli eucarioti. All’interno degli eucarioti si distinguono altri regni che sono:

• Il regno delle piante e quello degli animali,
• Il regno dei funghi,
• Il regno dei protozoi,
• Il regno dei cromisti.

Fatta eccezione del regno degli animali, in tutti gli altri regni ci sono organismi che vengono studiati dai botanici. Mentre all’interno dei procarioti si distinguono:

• Il regno dei batteri (eubatteri)
• Il regno degli archea (archeobatteri)

Così come accade per gli animali in cui si possono identificare organismi molto semplici per poi passare a organismi sempre più complessi; la stessa cosa avviene per gli organismi vegetali dove si hanno organismi molto molto semplici unicellulari, organismi coloniali dove più cellule si mettono insieme per formare un organismo più grosso e poi via via si passa ad organismi pluricellulari come ad esempio le tallofite, organismi pluricellulari più complessi come le cormofite dove si distinguono 3 organi fondamenti: radice, fusto e foglie e poi organismi ancora più complessi dove oltre ai 3 organi fondamentali si aggiungono altri organi come per esempio nelle gimnosperme compare per la prima volta il seme (seme nudo perché non ha il frutto che lo riveste) e nelle angiosperme, che sono all’apice della complessità, oltre al seme compare per la prima volta il fiore e dal fiore si svilupperà anche il frutto che andrà a rivestire il seme che di conseguenza non sarà quindi più nudo.

Storia evolutiva

Se si ripercorre la storia evolutiva del nostro pianeta si vede che la terra si è formata 4,6 miliardi di anni fa in un periodo in cui non c'erano forme vitali chiamato Adeano.

Le primissime forme di vita di tipo procariotico compaiono circa 3,8 miliardi di anni fa. Queste prime forme di vita procariotiche utilizzavano l'energia solare per vivere, facevano una sorta di fotosintesi che non produceva ossigeno ma era una fotosintesi anossigenica (invece di ossigeno produceva azoto).

Circa 3,5 miliardi di anni fa compaiono i primi organismi fotosintetizzati con fotosintesi ossigenica; che erano molto simili ai cianobatteri presenti attualmente nel nostro pianeta (studiando i fossili si è capito che i cianobatteri passati erano simili a quelli attuali). Anche questi primi cianobatteri hanno lasciato delle strutture fossili dette stromatoliti, una sorta di materiale roccioso che se tagliato in fette sottili ed osservato presenta delle striature che sono i resti dei cianobatteri che hanno formato questi stromatoliti.

Questi cianobatteri ricoprivano interamente il substrato formando una struttura gelatinosa, "un biofilm", su cui andava a precipitare il calcio e poi una volta che avevano colonizzato questa parte si spostavano per andare a colonizzare la parte più esterna, la calcificavano e si spostavano verso l'esterno, facendo aumentare sempre più la dimensione di questi stromatoliti e producendo queste striature. Questi stromatoliti fossili sono identici a quelli che si formano tutt’ora ad opera di alcuni cianobatteri.

Così come esistono dei resti fossili dei primissimi cianobatteri esistono anche dei fossili degli organismi pluricellulari tra cui il fossile di un’alga rossa che si chiama Bangiomorpha Pubescens. È evidente la suddivisione in cellule e questa struttura risalente a miliardi di anni fa è molto simile a quella di un’alga rossa attualmente in vita che è la Bangia Atropurpurea che è un altro organismo pluricellulare.

Circa 2,7 miliardi di anni fa accade un’altra cosa: si hanno i primi organismi eucariotici che inizialmente non sono fotosintetizzati. Ad un certo punto grazie ad un processo di endosimbiosi tra una cellula eucariotica non fotosintetizzante e un cianobatterio si iniziano a formare le prime cellule eucariotiche fotosintetizzanti che possono essere definite per la prima volta cellule vegetali.

Tutti questi eventi sono avvenuti nel mare; sulla terra non poteva succedere ancora nulla per le radiazioni ultraviolette della luce solare che ancora non erano filtrate dall’ozono (perché nell’atmosfera ancora non c’era ossigeno e di conseguenza neanche lo strato di ozono che filtrava le radiazioni ultraviolette); perciò sulla terra non potevano svilupparsi delle forme viventi perché le radiazioni uccidono qualsiasi cosa che incontrano.

Quindi tutto ciò accadde nel mare e lì dove l’acqua marina si libera delle radiazioni ultraviolette, questi organismi fotosintetici, sia quelli procariotici che quelli eucariotici, iniziano a produrre quantità di ossigeno via via maggiore. Inizialmente, però, nonostante venisse prodotta una grossa quantità di ossigeno, questo non si accumulava nell'atmosfera perché la maggior parte dell'ossigeno prodotto veniva utilizzato per ossidare i minerali presenti sul pianeta; perché non essendo mai venuti a contatto con l’ossigeno erano tutti quanti in forma ridotta.

Quando tutti i minerali esposti in superficie sono stati ossidati l’ossigeno inizia ad accumularsi nell’atmosfera. Infatti 2,2 miliardi di anni fa inizia ad aumentare la quantità di ossigeno nell'atmosfera.

Un altro passo importante dell'evoluzione della vita vegetale viene compiuto 1,25 miliardi di anni fa quando da un organismo unicellulare si passa alla formazione di organismi pluricellulari. Inizia anche una certa specializzazione delle cellule; negli organismi pluricellulari non tutte le cellule fanno tutto come avveniva già negli organismi coloniali; ma alcune cellule fanno alcune cose e altre cellule fanno altre cose.

Circa 545 milioni di anni fa avviene un altro evento importante: si ha una fortissima produzione di nuove specie differenti e proprio perché questa formazione di nuove specie è stata molto rapida si parla di Esplosione del Cambriano. Dopo questa esplosione inizia la colonizzazione della terra ferma perché le condizioni di ossigeno sono diventate favorevoli, si è formato lo strato di ozono e in acqua inizia una competizione tra queste specie.

Inizia, quindi, anche una ricerca di nuove nicchie ecologiche, cioè nuovi ambienti. L’acqua era stata colonizzata e di totalmente libero c’era la terra ferma. Quindi inizia l'esplorazione da parte delle piante della terra, ovviamente da ambienti più umidi via via ad ambienti più lontani dall'acqua.

Problemi della colonizzazione della terra ferma

Per colonizzare la terra ferma bisogna risolvere tutta una serie di problemi:

• 1. Il primo problema da risolvere è come evitare la disidratazione. Se un organismo vegetale che viveva nell’acqua non aveva nessun problema di idratazione (poiché aveva l’acqua a disposizione) un organismo che fuoriesce dall’acqua ed è esposto al sole può disidratarsi. Esso deve evolvere dei polimeri o delle strutture che lo proteggono dalla disidratazione. Infatti contemporaneamente alla colonizzazione della terra ferma questi organismi evolvono 2 tipi di polimeri:
• La CUTINA, polimero che andrà ad impregnare le pareti dei tessuti epidermici ed è un polimero impermeabilizzato formato da lipidi, cere che rivestono le superfici esterne delle foglie (delle piante superiori) e le rendono impermeabili all'acqua, evitando che ci sia un’eccessiva perdita d’acqua.
• La SPOROPOLLENINA, anch’esso impermeabile e strutturalmente simile alla cutina che però impregna le pareti delle spore e impregna anche la parte più esterna del granulo pollinico. Questi 2 polimeri si sono già evoluti nei primi organismi vegetali terrestri che sono le briofite tra cui i muschi.
• 2. Altro problema da affrontare è come resistere alla forza di gravità cioè devono avere delle strutture di sostegno altrimenti si afflosciano.

Nell’Ordoviciano le briofite colonizzano la terra. Successivamente la terra ferma viene colonizzata da altre piante più complesse, più grandi dei muschi, alcune giganti e lo fanno grazie a 2 nuove strutture che si evolvono: un polimero e una tipologia di cellula. Il polimero è la che non dà impermeabilità ma dà forza, &eg