Sistematica vegetale - Appunti

Biodiversità e botanica sistematica

Biodiversità è una dinamica di variazione. Alghe sono il laboratorio della biodiversità, poiché sono partite dall’acqua.

Le piante sono una risorsa importante per la nostra vita, esse ci forniscono:

• Cibo, agricoltura e indirettamente allevamento;
• Materie prime, legno, sughero, carta, fibre;
• Medicinali e metaboliti secondari in genere;
• Sono produttori primari negli ecosistemi;
• Sono produttori di ossigeno che serve per la respirazione;
• Sono capaci di trasformare l’energia luminosa in energia chimica, fotosintesi.

Le piante sono molto importanti per i biologi: molti meccanismi biologici di base sono identici tra i diversi organismi viventi, es. vie metaboliche principali; la sperimentazione sulle piante ha meno problemi etici che quella svolta sugli animali o sull’uomo. I geni, i genomi ed i meccanismi ad essi legati sono analoghi in piante e animali. Pertanto le piante sono buoni organismi modello per studi di biologia molecolare; un biologo che si occupa di ambiente, biodiversità, ecologia ma anche alimentazione deve avere una conoscenza delle piante e dei sistemi vegetali in genere per poter eseguire valutazioni corrette o interventi di conservazione di una determinata area o valorizzazione di una varietà; le piante mostrano una grande variabilità e capacità di adattamento, maggiore di quella riscontrata negli animali a causa della loro staticità. I fenomeni di stress e adattamento possono quindi essere studiati meglio nelle piante che in altri organismi superiori.

L’agricoltura moderna, le biotecnologie vegetali, gli OGM richiedono le capacità di un biologo che conosca i sistemi vegetali… solo così è possibile comprendere come e dove intervenire.

Classificazione degli organismi viventi

La nostra mente ha l’esigenza di classificare gli oggetti che vede in base a caratteristiche precise al fine di poter comprendere la loro entità, utilità, ecc. Classificare significa fare ordine all’interno di un insieme eterogeneo, raggruppando gli elementi in categorie più o meno omogenee al loro interno. Il mondo che ci circonda è pieno di oggetti da “classificare” e di questo gruppo fanno parte anche le entità vegetali, animali, batteri, ecc. È più facile classificare quando ci sono più caratteri diversi invece che pochi.

La botanica sistematica è una branca della botanica che si occupa di studiare e comprendere la diversità degli organismi viventi. È uno strumento che permette di classificare la biodiversità. In passato era vista come una scienza descrittiva che si occupava principalmente di evidenziare le differenze tra i taxa, detta quindi anche tassonomia. Gli studi tassonomici forniscono gli elementi per la classificazione. Classificare significa mettere in ordine le diverse entità secondo schemi logici. Bisognava trovare dei modelli di relazione tra i diversi elementi tassonomici così da poterli mettere in una gerarchia. Ciò significa classificare.

La logica più seguita è quella evolutiva. Si ha un albero della vita che riunisce i taxa in base alle loro parentele evolutive. Una moderna visione della botanica sistematica prevede che essa si occupi di “individuare tutti i rami dell’albero evolutivo della vita e studiare i cambiamenti che sono avvenuti nel corso dell’evoluzione ai diversi rami in base alle caratteristiche delle specie poste agli apici dei rami stessi”. La botanica sistematica vuole identificare tutti i rami dell’albero evolutivo così da capire quali individui sono simili tra loro e quali cambiamenti hanno portato a trasformare e diversificare le specie.

Concetto di specie

Il primo punto per ordinare un insieme caotico è quello di individuare l’unità elementare, il singolo oggetto. In botanica questa unità è tuttora la specie. La specie è un bisogno, è una imposizione artificiale dell’uomo. È una unità utile a noi. Ad esempio serve a capire il valore di biodiversità di un’area oppure se ne devo sostituire una con un'altra devo sapere quali sono quelle più affini. Specie e biodiversità sono elementi di praticità, devono servire per avere un impatto.

La specie ha tante definizioni. Gli antichi usavano i loro occhi per identificare caratteristiche morfologiche. Quindi si aveva una descrizione delle caratteristiche esteriori, si tratta di una morfospecie. È un insieme di individui morfologicamente simili fra loro più di quanto non siano simili ad altri individui, sulla base di caratteri stabili e trasmissibili alla discendenza. La prole sarà simile ai genitori. Il concetto di specie morfologica è talvolta basato sul riconoscimento di minime differenze tra taxa ed il rischio di errore è elevato. È quindi idoneo solo se le caratteristiche distintive sono molto chiare e nette.

Le piante in base alle caratteristiche ambientali modificano leggermente la loro struttura. Alcune volte siamo in grado di distinguere queste piccole differenze, in alcuni casi si va addirittura a trovare delle sottospecie. Le sottospecie sono individui della stessa specie molto simili che cambiano solo per alcune caratteristiche. È complicato capire se è una sottospecie oppure un’altra specie. Il sistema della morfospecie è utile e veloce perché basta guardare la pianta, ma le condizioni ambientali influenzano alcune caratteristiche morfologiche che possono poi essere fuorvianti. Ad esempio dove le condizioni sono stressanti, quindi al limite di confine, è possibile che le caratteristiche della pianta cambino leggermente.

Specie biologica

Gli evoluzionisti usano il concetto di specie biologica. La specie è costituita da “popolazioni di individui in grado di incrociarsi fra di loro effettivamente o potenzialmente per produrre una discendenza a sua volta fertile, riproduttivamente isolate da altre popolazioni simili” (Mayr, 1963). Ci sono due elementi principali:

• Potenzialità riproduttiva. Individui compatibili tra di loro sono della stessa specie.
• Discendenza: il potenziale ibrido non può essere sterile. Il figlio sarà sessualmente compatibile con i genitori stessi e con altri individui provenienti dallo stesso tipo di incrocio.

Questa definizione non è sempre adattabile alle piante. Hanno una grande varietà di meccanismi riproduttivi che consentono l’ibridazione con progenie fertile anche tra specie diverse, autoimpollinazione, propagazione vegetativa, incrocio e anche i tempi possono essere diversi. Non è semplice dimostrare l’interfertilità nella stessa specie. Ad esempio due individui sono potenzialmente fertili, ma ci sono elementi di genetica che non lo permettono. Es. spesso nelle angiosperme esistono meccanismi che obbligano all’impollinazione incrociata impedendo la fecondazione tra polline e ovuli dello stesso fiore o di fiori dello stesso individuo. Inoltre le piante possono riprodursi anche per via asessuata, o propagazione vegetativa, e produrre quindi individui della stessa specie senza che avvenga gamia. Ci possono essere taxa che usano strategie di gamia differente.

Specie evolutiva

Quindi si usa la specie evolutiva. Per gli evoluzionisti come Simpson (1961) la specie evolutiva è una sequenza di popolazioni che discendono da un progenitore comune e che si evolvono separatamente da altre popolazioni simili in un certo luogo e per un certo periodo di tempo. Indica dinamicità infatti Wiley (1978) dice che “La specie è una linea di popolazioni che mantiene la propria identità da altre linee simili, avendo una propria tendenza evolutiva ed un proprio destino storico”.

Esistono quindi tante definizioni di specie, tutte teoricamente corrette ma di difficile applicazione. Perché non esiste una definizione “naturale” di specie universalmente accettabile? In botanica sistematica il concetto di specie morfologica è quello più funzionale. La maggior parte delle specie oggi classificate nelle flore nazionali e mondiali sono basate sulle caratteristiche morfologiche degli individui che le compongono. Perché la specie è una categoria astratta artificiale inventata dall’uomo per schematizzare una realtà che è in continuo mutamento, sia nel tempo che nello spazio.

Storia della botanica sistematica

I primi passi della botanica sistematica furono realizzati dai filosofi del passato quali Aristotele e successivamente Teofraste (IV secolo a.C). Essi si concentrarono su specie di interesse medicinale e descrissero molto bene le strutture fiorali di molte specie. Nel periodo Romano si svilupparono molto le scienze applicate e tra queste anche la botanica. Tra i tanti si ricordi Plinio il Vecchio che classificò oltre 600 specie descritte tutte minuziosamente.

Dopo la caduta dell’Impero Romano la botanica sistematica sopravvisse solo nei pressi dei monasteri dove vi erano gli “Orti dei Semplici” e dove si coltivavano piante medicinali. È anche il periodo degli “erbari figurati”, testi in cui le piante venivano raffigurate più sulla base delle loro proprietà medicinali. Figure con colori surreali e forme che ricordavano le proprietà farmacologiche o gli organi su cui esse avevano attività. Infatti le piante possono presentare dei metaboliti secondari che sono sintetizzati e possono avere effetti positivi o negativi per noi. I monaci coltivavano e testavano le piante, ma allo stesso tempo crearono delle biografie in cui le piante venivano rappresentate.

Tra il 1500 e 1600, Andrea Cesalpino è considerato uno dei primi grandi sistematici in quanto non solo egli descrisse e classificò 1500 specie, De Plantis Libri XVI, ma fu il primo a suggerire una relazione tra struttura e funzione dei caratteri morfologici usati nella classificazione. Cesalpino non fu solo un tassonomo ma anche un classificatore e raggruppò le entità da lui descritte in gruppi superiori e questi a sua volta in gruppi ancora superiori. Questo potrebbe ricordare in un certo senso il nostro attuale sistema. In Italia ci sono circa 7000 piante a fiori, in Europa 14000. Cesalpino ha introdotto anche il concetto dell’erbario, cioè mettere foglia in un libro per farla seccare. Le piante quando seccano mantengono le loro strutture grazie alle loro pareti rigide. Così si poteva vedere la morfologia di una pianta sempre, come se fosse una foto.

Linneo e la nomenclatura binomia

Il crescente interesse per le scienze botaniche portò allo sviluppo di diversi sistemi di classificazione ma senza dubbio quello più efficiente fu sviluppato dal naturalista svedese Carlo Linneo nell’opera Species Plantarum (1753). Linneo inventò il sistema della nomenclatura binomia: ogni specie è designata da un binomio latino seguito dal nome dell’autore che per primo ha descritto la specie. Per convenzione, il binomio si scrive in corsivo e l’autore in tondo. Il genere ha la prima lettera maiuscola. Il nome dell’autore viene abbreviato in una maniera stabilita, che si trova in appositi repertori. Il binomio è univoco per una determinata specie. I nomi di tutte le specie e le regole di attribuzione sono raccolte nel Codice internazionale di nomenclatura botanica.

Linneo oltre alla classificazione aveva introdotto la nomenclatura binaria. Si possono prendere caratteri arbitrari per poi riunire le piante in base alle sfaccettature del carattere. Lui inizialmente prese in considerazione stami e pistilli. Il vantaggio del sistema è che è aperto ovvero si possono aggiungere nuove caratteristiche. Egli introdusse i primi sistemi di classificazione artificiali basati su pochi ma ben definiti caratteri morfologici. Il sistema di classificazione di Linneo era sostanzialmente basato sui caratteri degli stami e in subordine su quelli degli altri organi riproduttivi.

Oltre al sistema di classificazione di Linneo ne furono sviluppati molti altri tuttavia il metodo di Linneo presentava 2 vantaggi principali:

• Era un sistema aperto in cui si potevano aggiungere continuamente nuove entità;
• Permetteva di classificare anche specie pressoché sconosciute sulla base di pochi caratteri, numero di stami, ecc.

Gli svantaggi di questo metodo erano:

• L’arbitraria scelta dei caratteri diagnostici, si dava peso ai caratteri meglio conosciuti;
• In questi schemi non necessariamente le piante più simili si trovavano vicine tra loro.

Questi sistemi basati su pochi caratteri sono detti artificiali. Sono artificiali perché siamo noi a decidere quali sono gli elementi da considerare e non tiene conto dell’evoluzione. Quello di Linneo è un sistema facile per classificare le specie e pratico per classificare. I metodi linneani sono stati usati anche successivamente da Ray e Anderson. A Ray si deve per esempio la distinzione delle angiosperme in monocotiledoni e dicotiledoni in base all’analisi delle caratteristiche dei semi e della loro germinazione.

Categorie sistematiche e taxa

Con lo sviluppo dei sistemi naturali viene generalizzato e fissato l’uso delle principali categorie sistematiche o taxa, singolare taxon, tuttora in uso: specie, genere, famiglia, ordine, classe, divisione o phylum. Al di sopra del genere, ciascuna di queste categorie ha una sua desinenza caratteristica:

• -aceae per la famiglia;
• -ales per l'ordine;
• -opsida per la classe;
• -phyta per la divisione o phylum.

Evoluzione e ricostruzione filogenetica

Il 1800 fu sicuramente un secolo importante per la scienza in genere si accettarono i sistemi di classificazione naturali e la nomenclatura binomia ma si iniziò anche a discutere di evoluzione. Si scopre il concetto di evoluzione, selezione naturale, relazione con l’ambiente. 1859 Darwin scrive “L’origine delle specie”. Il concetto di specie come entità fissa entra in crisi. Selezione naturale e poi artificiale sono posto come motore dell’evoluzione. Il concetto di specie non è rigido, ma dinamico.

Gli individui, le popolazioni si evolvono in seguito alla selezione naturale e creano altre specie. Gli individui di una specie derivano quindi dall’evoluzione di una specie ancestrale: tutti gli organismi ai diversi livelli della scala di classificazione sono interconnessi da parentele più o meno forti. L’obiettivo della botanica sistematica può essere la ricostruzione filogenetica. Quindi bisogna fare un’analisi dei caratteri. Si sfruttano i caratteri sotto pressione evolutiva e grazie a ciò si è evoluto in un modo o nell’altro a seconda dell’ambiente. L’ambiente ha selezionato gli ambienti più favorevoli. Questi elementi diventano chiave e caratteristici della linea evolutiva.

I primi tentativi di costruire alberi filogenetici erano basati sul creare vicinanze tra alberi. Maggiore sarà la diversità filogenetica riscontrata tra due taxa più elevata sarà la probabilità di raggiungere la radice dell’albero prima di unirli. È importante lo sviluppo di tools che permettano di classificare le specie. Non sempre è facile ricostruire la storia evolutiva di un taxa. Andare a ritroso per definire le caratteristiche evolutive a volte non è facile. Nascono quindi 2 discipline di analisi ed interpretazione della diversità biologica:

• Fenetica: valuta i rapporti tra gli organismi considerando tutti i caratteri disponibili senza dare peso filogenetico. Conto quante cose due individui condividono rispetto ai parametri totali analizzati. L’assenza o presenza di un carattere dà un peso evolutivo. Per Anderson due individui sono probabilmente fratelli se condividono numericamente tanti tratti. Il carattere non ha un peso evolutivo, ma lo conto.
• Cladistica: interpreta gli organismi viventi in chiave evolutiva. Vuole che l’albero della vita abbia una polarità a partire da un organismo più ancestrale fino ai suoi derivati. È difficile capire però cerco di interpretare i caratteri. Esempio: so che in periodo della storia evolutiva si sono ridotte le dimensioni dei fiori, posso dire che i taxa con fiori piccoli di quel periodo possono essere correlati. Poi guardando altre caratteristiche posso vedere se sono fratelli, gemelli o cugini. Nella cladistica si cerca di capire se il carattere di interesse non c’è nell’altro taxa perché è stato perso oppure perché non è stato in grado di farlo.

Caratteri morfologici e molecolari

Un carattere è l’insieme di caratteristiche misurabili. Possono essere morfologici, struttura fiore, radici, tronco, o molecolari, sequenze di geni del DNA nucleare o degli organelli. In questo modo possono assimilare o distanziare degli organismi. I caratteri sono binari se caratterizzati solo da presenza o assenza. Esempi: piante legnose / piante erbacee, piante a fiore / piante senza fiore, piante con sistema vascolare / piante senza sistema vascolare. I caratteri multistato prevedono più varianti per lo stesso carattere. Esempio le infiorescenze delle angiosperme.

Cladistica, cladi e cladogrammi

La cladistica ha come fine quello di interpretare i caratteri in chiave evolutiva ovvero comprendere quale carattere è derivato dal progenitore e quale invece è il frutto di eventi indipendenti come fenomeni di convergenza evolutiva, es. comparsa di parenchimi acquatici in molte specie succulenti appartenenti addirittura a famiglie differenti. La cladistica riconosce quindi i cladi come insiemi di più unità tassonomiche che condividono caratteri derivati da un ancestrale comune. Questi cladi sono raggruppati tra loro secondo parentele nei cladogrammi.

La cladistica impone che i gruppi siano monofiletici, ovvero composti da organismi tutti derivati da un comune antenato. Questo si contrappone a quelle entità, famiglie, generi, ecc, che nascono da sistemi di classificazione non cladistica e che riuniscono organismi che presentano similarità morfologiche e non necessariamente derivati da antenati comuni. Tali gruppi si dicono polifiletici. Gli studi del passato hanno sicuramente fatto errori di classificazione, ma adesso è difficile spostarli perché le flore ormai sono su carta, col digitale si corregge.

Il carattere è una caratteristica distintiva univoca che caratterizza quel gruppo di specie. Ma il carattere è anche un elemento funzionale in quanto l’organismo vuole comunicare con l’ambiente esterno. La costruzione di un cladogramma prevede quindi l’analisi dei caratteri dei diversi