Botanica sistematica

Botanica sistematica

La sistematica è la scienza della diversità degli organismi ed implica la scoperta, la descrizione e l'interpretazione della diversità biologica nonché la sintesi delle informazioni sulla diversità sotto forma di sistemi di classificazione predittivi. (Judd, 2002)

La sistematica è lo studio scientifico dei tipi e delle diversità degli organismi e di ogni relazione fra di essi (Simpson, 1961). La sistematica è perciò lo studio della diversità biologica attualmente esistente sulla terra e della sua storia evolutiva.

Classificazione e tassonomia

Il termine classificare vuol dire fare ordine all'interno di un sistema eterogeneo, raggruppando gli elementi in insiemi (categorie) omogenee al loro interno. La classificazione può essere: naturale o artificiale e filogenetica.

Il termine tassonomia è la scienza della classificazione. La tassonomia costituisce una branca della sistematica e può venire definita come "la teoria e la pratica della classificazione degli organismi" (Simpson, 1961). Nell'ambito delle conoscenze sistematiche, quindi, la tassonomia definisce i metodi per ottenere una classificazione che rifletta quanto più possibile l'ordine naturale.

La nomenclatura stabilisce le regole con cui assegnare il nome a ciascuno dei gruppi tassonomici che sono stati riconosciuti.

L'«identificazione» (termine spesso usato erroneamente nel linguaggio comune come sinonimo di classificazione) consiste invece nell'inserire un certo numero di individui, mediante un procedimento deduttivo, in classi già precostituite (classificazione).

Gerarchia delle categorie tassonomiche

L'introduzione della nomenclatura binomia e del sistema di classificazione di Linneo (1758) ha costituito una pietra miliare negli studi biologici. Da Linneo in poi, i differenti livelli di affinità tra le piante e gli animali, sia viventi sia fossili, sono stati espressi attraverso un sistema gerarchico di categorie.

Alla base della classificazione degli organismi si pone la specie che viene indicata con due nomi, di cui il primo indica il genere ed il secondo è peculiare della specie e viene definito come nome specifico. La specie, va sempre indicata con due nomi; quindi, scriveremo sempre Panthera leo, Panthera tigris, Felis catus, Canis lupus, Canis aureus. È evidente che le due specie P. leo e P. tigris appartengono allo stesso genere Panthera così come C. lupus e C. aureus appartengono al genere Canis.

A loro volta tutti i generi affini vengono raggruppati in una unica famiglia (ad esempio i generi Panthera e Felis nella famiglia Felidae), le famiglie si raggruppano negli ordini, gli ordini in classi, le classi in phyla (Divisioni nelle piante) ed i phyla, infine, nei Regni. Oltre a queste 7 categorie, che sono obbligatorie secondo le convenzioni internazionali, si possono utilizzare, se ritenuto utile, anche categorie intermedie come ad esempio le sottoclassi, le superfamiglie, ecc.

Le singole entità riconosciute (a livello di specie, genere, ecc.) vengono indicate collettivamente con il termine di gruppi tassonomici o di taxa (taxon al singolare).

La specie

La specie è rappresentata dall'insieme di individui in cui caratteri essenziali concordano fra di loro. La parola specie non riveste alcun significato particolare. I tipi di variazione che si attuano nei differenti gruppi di organismi, in conseguenza dei processi evolutivi, differiscono enormemente fra di loro, per cui il termine specie non può venire attribuito in maniera costante.

Alcuni esempi di specie vegetali includono:

• Specie facilmente riconoscibili (allogamia, ampia fertilità, isolamento riproduttivo)
• Microspecie (poco differenziate morfologicamente ma con forte isolamento riproduttivo)
• Agamospecie (microspecie agamosperme)
• Specie che si ibridano facilmente (singameone)
• Specie isolate geograficamente ma non riproduttivamente

Nel definire la specie vegetale i sistematici rivolgono l'attenzione all'aspetto morfologico, molecolare, ecologico, riproduttivo, geografico e ad altri indizi che convalidino l'ipotesi che si tratta di stirpi indipendenti e ben definite. È difficile generalizzare sulle specie vegetali perché ognuna è caratterizzata dall'unicità della sua storia. Judd (2002)

Gruppi tassonomici

I primi scienziati e lo stesso Linneo distinsero un regno animale, un regno vegetale e un regno minerale. Il regno è ancora oggi la più grande entità usata nella classificazione biologica. Gli scienziati utilizzano altre categorie tassonomiche interposte fra il genere e il regno. Così, i generi sono raggruppati in Famiglie, le famiglie in Ordini, gli ordini in Classi, queste ultime in Divisioni e le divisioni in Regni. Le Divisioni sono chiamate phyla dagli zoologi.

L'uniformità delle desinenze dei nomi per le diverse categorie di organismi è indispensabile per un immediato riconoscimento delle stesse. Un esempio tipico viene fornito dalle famiglie, i cui nomi hanno terminazione in -aceae. Per alcune famiglie sono proposti in alternativa nomi più antichi, come per le Fabaceae che possono essere chiamate anche Leguminosae, per le Apiaceae chiamate anche Umbelliferae e per le Asteraceae, chiamate anche Compositae. I nomi degli ordini hanno la desinenza in -ales.

• Regno
• Sottoregno
• Divisione
• Sottodivisione
• Classe
• Sottoclasse
• Ordine
• Famiglia
• Genere
• Specie

Categorie tassonomiche: desinenze e unità tassonomica

Ai tempi di Linneo, tutti gli organismi erano considerati piante o animali. Gli animali si muovevano, mangiavano, respiravano e crescevano. Le piante, al contrario, non si muovevano né mangiavano o respiravano; esse non si cibavano di altri organismi e sembravano in grado di crescere indefinitamente. Man mano che si scoprivano nuovi gruppi di organismi, questi venivano classificati come piante o animali: così i funghi e i batteri furono posti fra le piante e i protozoi fra gli animali.

Procarioti

Procarioti, o batteri, hanno numerosi sottogruppi, compreso quello dei cianobatteri (già denominati alghe azzurre o blu-verdi). I batteri sono classificati nel regno Monera, gruppo tanto distante dagli eucarioti quanto lo sono le piante degli animali. I batteri non possiedono organelli cellulari delimitati da una membrana, né microtubuli. Il materiale genetico è contenuto in una singola molecola circolare di DNA non associato con proteine. Benché si conoscano diversi meccanismi che portano alla ricombinazione genetica nei batteri, quest'ultima non è frequente e si svolge con modalità differenti dalla riproduzione sessuale.

Eucarioti

Eucatioti possiedono un nucleo ben definito delimitato da una doppia membrana detta involucro nucleare. All'interno dell'involucro sono presenti cromosomi complessi, in cui il DNA si trova associato con proteine. I cromosomi si dividono regolarmente durante il processo mitotico.

Nelle cellule di tutti gli eucarioti sono costantemente presenti organelli citoplasmatici e, soprattutto nelle cellule vegetali, si osservano anche vacuoli circondati da una membrana singola detta tonoplasto. Altre due importanti caratteristiche degli eucarioti, assenti nei procarioti, sono la riproduzione sessuale e l'organizzazione pluricellulare. Talvolta, dopo la divisione di una cellula, le cellule figlie nei procarioti restano unite formando filamenti o ammassi tridimensionali; non vi sono tuttavia connessioni citoplasmatiche tra le cellule e quindi non vi è integrazione dell'intera massa o del filamento. Nelle piante, i protoplasti di cellule contigue sono collegati da plasmodesmi che attraversano le pareti delle cellule stesse. Negli animali, non vi sono pareti e le singole cellule sono separate unicamente dalle membrane citoplasmatiche.

Regni degli organismi viventi

Gli organismi viventi sono suddivisi attualmente in cinque regni, uno di procarioti e quattro di eucarioti. I batteri sono nettamente distinti da tutti gli organismi eucariotici, cosicché la loro classificazione in un regno separato, quello dei Monera, è ampiamente giustificata; invece, i rapporti fra gli eucarioti sono meno chiari.

Molti phyla e divisioni sono formati esclusivamente da organismi unicellulari molto differenti fra di loro. Questi organismi e, alcune delle linee pluricellulari correlate sono raggruppati nel regno dei Protisti.

Gli organismi pluricellulari si sono originati più volte da antenati unicellulari. Tali antenati, se fossero noti, sarebbero protisti. Tre gruppi di organismi pluricellulari, piante, funghi e animali, sono particolarmente consistenti e significativi e saranno trattati a parte come regni. Questi gruppi sono formati quasi esclusivamente da individui pluricellulari, sebbene vi siano anche alcuni funghi unicellulari (i lieviti) i quali, derivano da antenati pluricellulari. Piante, funghi e animali derivano da gruppi diversi di protisti unicellulari.

Le modalità della loro nutrizione sono differenti, poiché le piante fabbricano da sé il nutrimento, gli animali se ne cibano e i funghi secernono enzimi mediante i quali digeriscono all'esterno le sostanze nutritive e quindi le assorbono. Oltre ai tre maggiori gruppi di organismi pluricellulari, vi sono le altre tre divisioni: alghe rosse, le alghe verdi e le alghe brune, in cui sono ben rappresentati organismi pluricellulari. Le alghe brune sono esclusivamente pluricellulari, le verdi sono pluricellulari e unicellulari.

Poiché i membri di queste divisioni sono tutti fotosintetici e in buona parte pluricellulari, diversi scienziati hanno proposto di includerli nel regno Plantae: tuttavia, dal momento che le alghe rosse e le brune non sembra abbiano un antenato comune con quello delle alghe verdi e delle piante superiori; la classificazione di tutti questi gruppi fra le piante non è corretta dal punto di vista evolutivo. Fra le alghe verdi sono presenti gli antenati delle piante, ma questi vengono distinti nettamente dalle piante attuali. Per tali ragioni, preferiamo considerare le piante in un regno ben distinto e raggruppare tutte le alghe nel regno dei protisti. Nonostante tale suddivisione sia insolita per il fatto che include organismi pluricellulari, la maggior parte delle divisioni e dei phyla di protisti possiede diversi rappresentanti pluricellulari.

Mitocondri e cloroplasti

Uno degli aspetti più significativi dell'evoluzione degli eucarioti è rappresentato dall'acquisizione dei mitocondri e dei cloroplasti. Questi complessi organelli cellulari hanno origine simbiotica, evidenziata dalla loro struttura e dalla natura del loro apparato ereditario. I mitocondri rassomigliano molto ai batteri purpurei non sulfurei. In tali batteri, la membrana plasmatica verso il citoplasma, si presenta ripiegata numerose volte su sé stessa in maniera tale da somigliare alle creste mitocondriali. I batteri purpurei e i mitocondri sono correlati anche sotto l'aspetto biochimico. Sembra che i cloroplasti rappresentino i discendenti di almeno tre tipi di batteri simbiotici, fotosintetici e aerobi. I differenti gruppi di protisti fotosintetici apparentemente sono correlati l'uno con l'altro, ma sembra che abbiano acquisito i loro cloroplasti in modo indipendente e in tempi differenti.

La classificazione formale degli organismi

Regno Monera

Questo regno comprende i batteri, procarioti che mancano di involucro nucleare, plastidi, mitocondri e flagelli. Essi presentano un'organizzazione unicellulare, sia che le cellule si presentino solitarie che in colonie; inoltre, mancano connessioni citoplasmatiche tra cellula e cellula. Nella maggior parte dei gruppi il meccanismo di nutrizione più comune è l'assorbimento, ma alcuni di essi sono fotosintetici o chemiosintetici. La riproduzione si attua per divisione, sebbene in diversi gruppi vi sia ricombinazione genetica. Alcuni sono mobili per la presenza di flagelli o per scivolamento, altri sono immobili.

Regno Protista

I protisti comprendono tutti gli organismi già considerati protozoi e tutte le alghe, eccetto i gruppi di batteri denominati fino a poco tempo fa "alghe azzurre". Il termine alghe viene usato in maniera informale per gli eucarioti fotosintetici diversi dalle piante e per i cianobatteri. Quasi tutte le alghe sono organismi acquatici. Nei protisti sono compresi anche alcuni gruppi di organismi eterotrofi tradizionalmente classificati fra i funghi e cioè le muffe acquatiche e specie correlate, i chitridi, le muffe mucillaginose cellulari e le muffe mucillaginose plasmodiali. I cicli riproduttivi dei protisti sono vari, ma generalmente comprendono la divisione cellulare e la riproduzione sessuale. Il regno Protista è formato da un insieme piuttosto eterogeneo di eucarioti unicellulari, coloniali e pluricellulari, i quali non possiedono le caratteristiche distintive degli animali, delle piante o dei funghi.

Regno Animalia

Gli Animalia sono organismi pluricellulari eucarioti privi di parete cellulare, di plastidi e pigmenti fotosintetici. La nutrizione avviene principalmente per ingestione e digestione in una cavità interna, ma alcune specie si nutrono per assorbimento e in certi gruppi non è presente una cavità digestiva. Il livello di organizzazione e la differenziazione dei tessuti negli animali complessi sono di gran lunga superiori a quelli degli altri regni, in particolare per l'evoluzione di complessi sistemi sensori e neuromotori. La motilità dell'intero organismo si basa sulla presenza di fibrille contrattili. La riproduzione è prevalentemente sessuale.

Regno Funghi

I funghi sono eucarioti filamentosi immobili privi di plastidi e di pigmenti fotosintetici; essi assorbono i nutrienti da organismi sia vivi che morti. Per tradizione i funghi sono stati sempre raggruppati con le piante; tuttavia, le prove che essi costituiscano una linea evolutiva indipendente sono oggi piuttosto evidenti. A parte l'aspetto filamentoso, i funghi non hanno nient'altro in comune con le alghe. Le pareti cellulari possiedono una matrice chitinosa. Le strutture in cui si formano le spore sono organi piuttosto complessi e i cicli riproduttivi, anch'essi complessi, implicano processi asessuali e sessuali.

Regno Plantae

Le piante, cioè briofite (muschi, epatiche e antocerote) e le nove divisioni di piante vascolari, formano un regno costituito da organismi fotosintetici adattati alla vita terrestre. Tutte queste piante sono pluricellulari e costituite da cellule eucariote vacuolare, con pareti cellulosiche. La fotosintesi costituisce il meccanismo nutrizionale prevalente; solo poche specie sono eterotrofe. La loro differenziazione strutturale si è attuata durante l'adattamento alla vita terrestre, portando alla comparsa di organi specializzati per la fotosintesi, per l'ancoraggio al substrato e per il sostegno. Nelle piante più complesse tale organizzazione ha portato alla produzione di tessuti specializzati fotosintetici, vascolari e tegumentali. La riproduzione è prevalentemente sessuale, con cicli vitali in cui si alterano generazioni aploidi e diploidi. Nel corso dell'evoluzione la generazione aploide (gametofito) si è ridotta al massimo, soprattutto nelle specie più evolute.

La riproduzione e la moltiplicazione

La riproduzione è l'insieme dei processi mediante i quali l'individuo, raggiunta una determinata maturità, dà origine ad un altro oppure altri individui (moltiplicazione) che ne perpetuano le caratteristiche e che a loro volta, quando hanno raggiunto una determinata maturità, ripetono il processo. La riproduzione può essere: vegetativa o agamica e sessuata o gamica.

Riproduzione vegetativa (agamica)

La riproduzione vegetativa o agamicapermette la moltiplicazione di un individuo in seguito a divisione del corpo vegetativoo al distacco di una sua parte. Lo sviluppo del nuovo individuo (clone) avviene in seguito a divisioni mitotiche, mantenendo così costante il genotipo delle successive generazioni. Il vantaggio della riproduzione agamica è la produzione in tempi brevi di numerosi nuovi individui che dovrebbero sopravvivere meglio se le condizioni ambientali non si modificano e che consentono una rapida diffusione della specie. La mancanza di ricombinazione genetica riduce però la ricchezza del pool genico e rende le piante meno adattabili e quindi più vulnerabili ai cambiamenti delle condizioni ambientali. Si distinguono i seguenti tipi di riproduzione vegetativa:

• Scissione: Tipica degli organismi unicellulari, consiste nella formazione di due cellule figlie per mitosi di una cellula iniziale. Le due cellule così formate sono identiche tra loro e, una volta raggiunte le dimensioni della cellula madre, sono capaci di riprodursi a loro volta.
• Gemmazione: Simile alla scissione da cui si differenzia poiché una delle due cellule formate per mitosi è più piccola e si presenta come una sorta di protuberanza (gemma) della cellula madre che staccandosi darà origine alla cellula figlia.
• Schizogonia: Tipo di divisione multipla, detta anche agamogonia o sporulazione, tipica dei processi riproduttivi asessuali di molti protozoi Sporozoi. È preceduta da un rapido susseguirsi di divisioni del nucleo e più raramente da una frammentazione simultanea di esso in molte parti, per cui il corpo del Protozoo diviene polinucleato. I nuclei prodotti dalla divisione si portano allaperiferia del citoplasma che, a sua volta, si suddivide in altrettante parti. La schizogonia può essere: Simultanea e Succedanea.
• Frammentazione: Dal corpo della pianta madre si distacca una porzione, ...