Appunti di biologia vegetale, descrizione anatomica, cellulare e fisiologica delle piante, dalle alghe alle angiosperme

Biologia vegetale

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Biologia vegetale: come funzionano gli organismi vegetali (organismi che

appartengono al regno delle piante, questo regno comprende tutte le piante

terrestri) e ci occuperemo anche dei funghi; i funghi appartengono a un regno a sé

stante ma vengono consideranti nei vegetali, così come le alghe; le alghe

appartengono ad un altro regno ancora: regno dei protisti.

Morfologia sia macroscopica che microscopica, fisiologia, accrescimento (illimitato

nel tempo per le piante), come si riproducono, come le piante interagiscono tra di

loro e con gli altri organismi viventi.

Un organismo non può crescere se isolato dall’ambiente in cui vive e nemmeno se

privato dall’interazione con gli altri organismi viventi.

Metabolismo delle piante (regno delle piante): sono organismi autotrofi si

nutrono da sole. Grazie al loro metabolismo le piante sono in grado di sintetizzare

sostanza organica a partire da sostanza inorganica. I funghi sono eterotrofi. Le alghe

sono autotrofe.

Le piante hanno bisogno, per svolgere il loro metabolismo, di acqua e Sali minerali

ma anche di anidride carbonica, le piante la usano per la fotosintesi che trasforma

l’acqua e CO2 in sostanza organica utilizzando la luce. Questi elementi sono

rinnovabili e ubiquitari (si possono trovare in qualsiasi habitat). Utilizzano anche

l’ossigeno che è un prodotto di scarto della fotosintesi. Il primo prodotto della

fotosintesi è lo zucchero (sostanza organica), poi si produce ossigeno e anche CO2

(la consumano ma la producono anche) e anche vapor acqueo, questi ultimi due dal

processo di respirazione in cui si brucia sostanza organica.

La CO2: la quantità di CO2 nell’atmosfera sta aumentando: l’anidride carbonica è

uno dei gas principali responsabili dell’effetto serra. Effetto serra la luce solare in

parte viene assorbita dall’atmosfera terrestre attraverso radiazioni. I gas serra fanno

sì che queste radiazioni rimangano intrappolate nell’atmosfera terrestre causando

un riscaldamento. La CO2 in atmosfera viene immessa attraverso la respirazione, ma

anche attraverso processi come bruciare il petrolio … quindi l’aumento di CO2 è

connesso alle attività antropiche. Una risposta per contrastare l’aumento del livello

di CO2 sono le piante ma dobbiamo cambiare il nostro stile di vita

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fondamentalmente. Quindi le pinte sono importanti perché fornisce sostanza

organica ad altri organismi e utilizza CO2.

Sempre attraverso il processo di fotosintesi producono ossigeno, nella primitiva

atmosfera terrestre l’ossigeno era praticamente assente e primi organismi

sviluppatosi sono stati infatti gli anaerobi. Quando sono comparsi i primi organismi

autotrofi (all’inizio erano chemiosintetici*) si è avuta la prima formazione si

ossigeno, la cui concentrazione è andata via via aumentando e quindi anche

l’evoluzione dei primi organismi aerobi. L’arricchimento dell’atmosfera di ossigeno

ha permesso la formazione dello strato di ozono: l’ozono è una trasformazione

possibile dell’ossigeno che avviene in alti strati dell’atmosfera dove le radiazioni uv

trasformano O2 in O3. Lo strato di ozono è importante perché scherma le radiazioni

ultraviolette che sono molto dannose per la terra perché sono agenti mutageni. La

vita si era sviluppata prima della formazione dell’ozonosfera infatti nell’acqua, dove

lo strato di acqua poteva proteggere dalle radiazioni uv. Quando si è creato questo

strato la vita è potuta emergere dalle profondità degli oceani e successivamente si è

potuti passare dalla vita in superficie dell’oceano alla superficie terrestre. La terra si

è creata circa 4.5 miliardi di anni fa e per un lungo periodi, fino a tre miliardi di anni

circa, l’atmosfera era povera di ossigeno. Circa 500 milioni di anni fa la vita è passata

dalla superficie degli oceani alla terra ferma.

*Chemiosintesi: energia che proviene da reazioni di ossido-riduzione (all’inizio la

luce non c’era).

Ciclo dell’acqua: le piante immettono una grande quantità di vapor acqueo in

atmosfera che è collegato alla piovosità. Il vapor acqueo in atmosfera può

condensare e trasformarsi in goccioline di acqua. L’acqua è immessa nell’atmosfera

grazie a questo processo di traspirazione e respirazione attuato dalle piante. La

grande maggioranza dell’acqua che la pianta assorbe viene rimessa nell’atmosfera,

la pianta trattiene solo una piccola parte. Le piante quindi determinano anche

l’immissione di acqua in atmosfera aumentando il livello dell’acqua derivante dal

solo processo di evaporazione.

L’uomo e le piante: l’uomo a lungo è stato dipendete dalle piante poiché fonte di

cibo (sono alla base delle catene alimentari), di profumi, coloranti, di bevande

(uvavino), legname e carta, tessuti (cotone). Le piante venivano anche sfruttate

per le loro proprietà farmacologiche.

L’uomo ha iniziato a interessarsi in modo scientifico alle piante per gli scopi con cui

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le usava quindi per esempio cibo e medicamenti. Successivamente l’interesse

divenne culturale durante l’illuminismo, la conoscenza ha valore in sé. La botanica

come scienza comprende molti aspetti della piante come la morfologie e l’anatomia

vegetale (dendrocronologia: studia la struttura del legno interno del fusto delle

piante), la fisiologia vegetale, la sistematica (Quali sono i criteri per raggruppare le

piante?) e la tassonomia (fornice una descrizione delle piante e la loro

denominazione e classificazione). La sistematica è come un armadio pieno di cassetti

che indicano i vari raggruppamenti di piante, il tassonomo sa collocare le piante nei

giusti cassetti.

Nomenclatura: Teofrasto per primo tentò di organizzare e classificare le piante nel

IV secolo a.c.

A metà del 1700 Linneo classificò in modo preciso le piante conosciute al tempo nel

libro “species plantarum” (oggi ne conosciamo circa 300.000 specie) perché inventò

la denominazione binomica (solo due parole per descrivere una pianta: genere e

specie + abbreviazione di chi ha dato il nome alla pianta per la prima volta). Es:

Allium (genere) cepa (specie) L.

Il nome Allium racchiude dentro più specie accumunate da dei caratteri morfologici;

con il tempo la classificazione basata sulla morfologia è stata sostituita in parte dalla

classificazione molecolare (biologia molecolare).

All’interno della biologia vegetale ci sono molte branche:

- Fitogeografia

- Ecologia vegetale

- Genetica, nata appunto con lo studio delle piante (piselli di Mendel)

- Biologia cellulare, le prime scoperte si sono fatte con le piante, la stessa

parola cellula è stata coniata per indicare una struttura vegetale. Con il primo

microscopio, inventato nella prima metà del 1600, venne osservato una

sezione di sughero (tessuto vegetale che deriva dalle corteccia delle piante); si

vedevano dei piccoli spazi vuoti molto regolari che furono denominate cellule

(piccole celle). Con l’avanzare della tecnologia della microscopia nel 1840

Schleiden e Swann elaborarono la teoria cellulare: tutti gli organismi viventi

sono costituiti da cellule. 3

Principi di sistematica, tassonomia ed evoluzione vegetale

Principi di sistematica

Denominazione binomia:

la denominazione binomia comprende il nome del genere e il nome specifico. La

specie è quella che viene detta l’entità tassonomica di base: ogni individuo ha il

proprio nome specifico. Più specie differenti vengono raggruppati all’interno dei

generi perché mostrano delle caratteristiche principalmente morfologiche uguali tra

di loro. I vari generi vengono raggruppati in famiglie sempre in funzioni di caratteri

comuni a più generi. Le famiglie sono raggruppati in ordini, gli ordini in classi e le

classi in Phyla, l’entità tassonomica più alta. La classificazione degli organismi viventi

ha avuto una lunga storia a partire da Teofrasto. I primi schemi di classificazione

distinguevano semplicemente tra piante ed animali, ma questa distinzione

funzionava solo per organismi complessi, non per gli organismi più semplici. Allora

Hogg e Haeckel proposero un terzo regno: il regno dei protisti. I protisti sono degli

organismi che non sviluppano tessuti complessi; sono organismi in cui non c’è

differenziamento cellulare. Questi organismi possono essere uni o pluricellulari e nel

caso dei pluricellulari tutte le cellule sono uguali tra di loro e non esiste il

differenziamento tra i tessuti.

Poi venne proposto un altro regno ancora: si classificarono gli organismi unicellulari

procariotici nel regno Monera. Quindi fio ad ora abbiamo 4 regni.

In età molto recenti fu aggiunto il quinto regno, il regno dei funghi che prima non

erano separati dal regno dei protisti.

Negli anni 90 il regno dei Monera è stato separato in due regni: Archea e Bacteria.

Gli archea batteria sono batteri molto antichi.

Quindi siamo arrivati all’attuale classificazione dei 6 regni in cui vengono classificati

tutti gli organismi viventi.

Albero evolutivo: alla base c’è una cellula primordiale. Dai protisti si sono sviluppate

tre “categorie”indipendenti: dalle alghe le piante terrestri, i funghi e il regno

animale.

I sistematici elaborano i criteri per la classificazione, per la formazione dei generi,

delle famiglie … per stabilire questi criteri studiano i processi evolutivi che vengono

sintetizzati attraverso una disciplina che prende il nome di cladistica: è un metodo

per esaminare le relazioni che intercorrono tra organismi in base a caratteristiche

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comuni. Se vi sono delle caratteristiche comuni significa che probabilmente ci sarà

un progenitore comune. Le relazioni evolutive che intercorrono tra i vari organismi si

rappresentano attraverso dei cladogrammi: da un punto che si chiama nodo, che

rappresenta l’antenato comune, dipartono delle linee di evoluzione che si dirigono

verso le specie.

Spesso vengono fuori cladogrammi differenti tra di loro e per scegliere il

cladogramma migliore si usa il principio della parsimonia “non bisognerebbe fare pi

assunzioni di quante sono necessarie per spiegare un fenomeno” il miglior

cladogramma è quello che richiede il minor numero di cambiamenti evolutivi nei

taxa coinvolti.

Tutto questo fino a poco tempo fa era fatto solo su basi morfologici. Dal 1998 si è

iniziato a utilizzare non solo caratteri morfologici ma anche caratteri molecolari.

Quindi si guardano differenze e somiglianze a livello dei geni tra i vari gruppi di

organismi. Questa nuova classificazione che si basa sia su caratteri morfologici che

su molecolari prende il nome di APG: sigla che sta per angiosperm phylogeny group.

Infatti questo nuovo principio di classificazione viene applicato alle angiosperme.

Angiosperm phylogeny group: è un gruppo di sistematici botanici che hanno

impiegato soprattutto informazioni di tipo molecolare per la riorganizzazione della

classificazione delle angiosperme. È stata un profondo cambiamento nella

classificazione delle angiosperme perché in alcuni casi i nuovi dati stravolgevano i

raggruppamenti. La classificazione quindi è in costante cambiamento anche adesso.

Tassonomia

Il sistematico elabora questi criteri, elabora i cladogrammi ecc. il tassonomo è quella

figura che in pratica nella propria attività raccoglie campioni ed è in grado di

identificare la giusta classificazione utilizzando le cosiddette chiavi dicotomiche. Le

chiavi dicotomiche sono dei testi che danno una serie di caratteri per identificare la

specie. Quindi il tassonomo applica i criteri sviluppati dai sistematici. Queste

classificazione basate sui regni, le famigli ecc. è una distinzione precisa ma ci sono

anche delle distinzioni più generali come la divisione tra procarioti ed eucarioti. I

procarioti racchiudono tutti quei regni dove ci sono organismi unicellulari che non

hanno la presenza di organelli citoplasmatici delimitati da membrana.

Un’altra organizzazione molto ampia è la suddivisione in organismi unicellulari

(batteri, alghe), coloniali (batteri, alghe) e pluricellulari. Gli organismi coloniali non

hanno comunicazione cellulari dirette tra di loro. Gli organismi pluricellulari possono

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essere formati da cellule tutte uguali (non c’è differenziamento cellulare) e sono per

esempio alcuni tipi di alghe e funghi; appartengono quindi al regno dei protisti.

Invece le piante sono organismi pluricellulari dove c’è un differenziamento

cellulare, quindi ci sono i tessuti che vanno a formare gli organi.

Evoluzione vegetale

Le prime cellule che si sono originate sono le cellule procariote, poi le cellule

eucariotiche ed esplode la diversità biologica: perché? Perché c’è un cambiamento



nella modalità di riproduzione riproduzione vegetativa la cellula madre dà vita a

una cellula figlia quasi uguale a lei, invece la riproduzione sessuale ora dà la

possibilità di ampliare la diversità genetica. La riduzione sessuale attraverso la

meiosi e la formazione di gameti che si fondono creano un forte riassortimento

genetico. Questo processo dà un’origine a una diversità genetica enorme ai nuovi

individui e questa diversità genetica offre le basi per un’evoluzione di diverse specie

che saranno sottoposte alla selezione naturale. 

Quando si sono evoluti i principali gruppi delle piante terrestri il regno delle

piante si è evoluto dal regno dei protisti e in particolare dalle alghe verdi. Tutti gli

organismi del regno delle piante hanno progenitori comuni all’interno delle alghe

verdi. Questo passaggio così critico (dalla vita in acqua alla terra ferma) quando è

avvenuto? Circa 500 milioni di anni fa. Prima si sono adattate le piante alla terra

ferma che così hanno permesso di creare un habitat in cui si sono potuti adattare gli

animali.

Sulla terra per 1 miliardo di anni non c’è stata vita.

Le angiosperme sono comparso 130 milioni di anni fa, un periodo breve comparato

alla storia della terra. Le angiosperme tra tutte le piante terrestri sono quelle che più

si sono diversificate, ci sono circa 250 mila specie. Invece le gimnosperme, anche se

comparse prima, invece ha solo 1000 specie.

Interazione tra gli organismi

Il completo isolamento di un organismo non è compatibile con la vita: gli organismi

devono interagire.

Simbiosi: Associazione interspecifiche più o meno intima, talvolta specie-specifica

che può essere obbligata o facoltativa (simmetrica o asimmetrica). Simbiosi in

termini ampi simbiosi comprende il commensalismo, il parassitiamo e mutualismo

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oppure in termini stretti è sinonimo di mutualismo.

Amensalismo: L'amensalismo in ecologia è un tipo di interazione tra specie viventi in

cui una impedisce e diminuisce il successo di un'altra, senza però allo stesso tempo

trarne né vantaggio né svantaggio. Questo può accadere se un organismo secerne

un prodotto chimico come parte del suo normale metabolismo che ha un effetto

negativo sul secondo organismo. Alcune piante producono, nei semi o nelle radici o

nelle foglie che cadono, delle sostanze chimiche dette sostanze allelopatiche, che

riducono lo sviluppo di altre piante.

Parassitismo +/-

Predazione?

Commensalismo 0/+

Protocooperazione è simile al mutualismo in cui tutte le due specie sono

avvantaggiate ma non è obbligatoria. Le orchidee hanno delle associazioni

simbiontiche mutualistiche con i funghi che sono indispensabili per l’orchidea

perché servono per la germinazione del seme ma per il fungo questa iterazione non

è obbligatoria per la vita. In questa caso è un mutualismo asimmetrico (non è

obbligatorio per tutte e due le specie). La proto cooperazione può essere compresa

sotto l’interazione mutualismo, quando questo non è obbligatorio. Il mutualismo è

quando il vantaggio è reciproco per tutte e due gli organismi +/+ .

Mutualismo

+/+ il mutualismo è una forma di interazione molto comune. L’ipotesi è che nel

corso della storia evolutiva le forme di mutualismo sono quelle che si sono evolute

più spesso molto probabilmente perché il vantaggio è reciproco e quindi porta a un

migliore adattamento di entrambi li organismi e quindi maggiore successo. In queste

forme di mutualismo, in realtà, ciascuna delle due specie procedono operando dei

piccoli cambiamenti per ottimizzare, massimizzare il proprio vantaggio, in natura

nulla è altruistico. Il vantaggio qual è? Di solito è un vantaggio di tipo nutritivo.

Licheni

I licheni sono un’associazione mutualistica tra un fungo e un’alga o un ciano

batterio, recentemente si è scoperto che in questa associazione mutualistica entra

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un altro partner, un lievito; un gruppo di specie particolare è compreso in questa

simbiosi. Questo lievito è stato scoperto in molti licheni non imparentati tra di loro,

quindi sembra una cosa diffusa. Non sappiamo ancora come interviene questo terzo

organismo nel mutualismo.

Micorizze

Un altro esempio di mutualismo sono le micorizze, associazioni tra radici di piante e

funghi, l’associazione può essere obbligatoria per la pianta ma non lo è di solito per

il fungo. Praticamente nella totalità delle orchidee questa forma di mutualismo è

obbligata. Sia nei licheni che nelle micorrizze il vantaggio è di tipo nutritivo.

Acacia e formica

Ci sono degli esempi di mutualismo più particolari: può essere quello tra alcune

piante del genere acacia (genere australiano) e le formiche. Questo perché alla base

delle foglie (foglie composte), nel picciolo, ci sono degli ingrossamenti che sono degli

organi che producono una secrezione zuccherina, un nettare ext