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

Biologia vegetale

Introduzione alla biologia vegetale

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 considerati 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.

Interazione con l'ambiente

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 vapore acqueo, questi ultimi due dal processo di respirazione in cui si brucia sostanza organica.

Aumento della CO₂ nell'atmosfera

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 fondamentalmente. Quindi le piante sono importanti perché forniscono sostanza organica ad altri organismi e utilizzano CO₂. Sempre attraverso il processo di fotosintesi producono ossigeno, nella primitiva atmosfera terrestre l’ossigeno era praticamente assente e i primi organismi sviluppatisi sono stati infatti gli anaerobi.

Evoluzione dell'atmosfera terrestre

Quando sono comparsi i primi organismi autotrofi (all’inizio erano chemiosintetici) si è avuta la prima formazione di 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 potuta trasferire 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 periodo, 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.

Ciclo dell'acqua

Ciclo dell’acqua: le piante immettono una grande quantità di vapore acqueo in atmosfera che è collegato alla piovosità. Il vapore 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.

Relazione tra uomo e piante

L’uomo e le piante: l’uomo a lungo è stato dipendente 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 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 morfologia 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 (fornisce 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 botanica

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 accomunate da dei caratteri morfologici; con il tempo la classificazione basata sulla morfologia è stata sostituita in parte dalla classificazione molecolare (biologia molecolare).

Branche della biologia vegetale

• 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 dalla 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.

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 raggruppate all’interno dei generi perché mostrano delle caratteristiche principalmente morfologiche uguali tra di loro. I vari generi vengono raggruppati in famiglie sempre in funzione di caratteri comuni a più generi. Le famiglie sono raggruppate 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 fino 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 batteri 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 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 piu 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 classificazioni basate sui regni, le famiglie 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.

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 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.

Evoluzione delle piante terrestri

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.

Angiosperme e gimnosperme

Le angiosperme sono comparse 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, hanno solo 1000 specie.

Interazione tra gli organismi

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

Simbiosi

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 parassitismo e mutualismo oppure in termini stretti è sinonimo di mutualismo.

Altri tipi di interazioni

• 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 questo 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 siano quelle che si sono evolute più spesso, molto probabilmente perché il vantaggio è reciproco e quindi porta a un migliore adattamento di entrambi gli organismi e quindi maggiore successo. In queste forme di mutualismo, in realtà, ciascuna delle due specie procede 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 cianobatterio, recentemente si è scoperto che in questa associazione mutualistica entra 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 micorrize 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 extra-florale.