Appunti di Botanica Generale I

Evoluzione delle piante

L'origine della vita e delle piante

Le piante hanno avuto origine dopo un processo di evoluzione che ha riguardato ogni essere vivente. La Terra, nel corso della sua evoluzione, è stata bombardata da meteoriti che mantenevano le rocce in essa presenti allo stato fuso. Dopo il raffreddamento, i fenomeni elettrici e le tempeste, unite al vulcanesimo, caratterizzarono l’atmosfera e il suolo terrestre. In Australia troviamo i fossili più antichi (3,5 miliardi di anni): sono microfossili costituiti da organismi filamentosi somiglianti a batteri.

Le stromatoliti hanno la stessa età di questi microfossili e sono dei feltri di microrganismi (stratificazione di microrganismi filamentosi che intrappolano altri microrganismi e sedimento). Le stromatoliti si formano ancora nelle acque calde australiane e vicino le Bahamas. Le stromatoliti moderne sono formate da cianobatteri (batteri filamentosi fotosintetici). Non sappiamo con certezza l’origine della vita sulla terra, sono numerose le teorie a riguardo.

Secondo recenti teorie, le molecole organiche formate per l’azione di fulmini, pioggia, energia solare e gas presenti nell’atmosfera e nelle acque terrestri si accumularono nelle acque. Alcune di esse tendevano ad aggregarsi per formare i precursori delle cellule (assumendo la forma di goccioline d’olio in acqua). Sidney Fox e suoi collaboratori, studiando l’origine della vita presso l’Università di Miami, produssero proteine con capacità di aggregarsi in acqua per formare corpi chiamati “microsfere proteinoidi”, capaci di crescere e formare gemme (aggiungendo ulteriore materiale proteico).

Altri scienziati hanno suggerito che le particelle di argilla o addirittura piccole bollicine abbiano contribuito alla formazione delle prime cellule. Le strutture cellulari primitive, capaci di utilizzare altre molecole organiche come fonte energetica, diventarono sempre più complesse (formando organuli, compartimentazioni e altre strutture cellulari) e capaci di crescere, riprodursi, trasferire le caratteristiche genetiche alle altre generazioni (ereditarietà). Queste sono proprietà che caratterizzano tutti gli esseri viventi.

Quelle cellule che ricavano la loro fonte di energia da composti organici prodotti da fonti esterne vengono dette eterotrofe. Animali, funghi e molti unicellulari come certi batteri e protisti, sono eterotrofi. Aumentando gli eterotrofi primitivi sulla terra, cominciarono a scarseggiare le disponibilità di molecole organiche cui essi dipendevano. Nacque così una competizione, che vedeva vincitori quegli organismi eterotrofi che per sopravvivere necessitavano di una fonte energetica minore (che quindi utilizzavano le molecole organiche con maggiore efficienza).

Con il tempo si sono quindi evolute cellule capaci di produrre autonomamente quelle molecole che costituiscono per essi fonte energetica. Questi nuovi organismi vengono definiti autotrofi. Gli autotrofi che ebbero maggior successo furono proprio quelli capaci di fotosintesi, cioè capaci di sfruttare l’energia solare. I primi organismi fotosintetici erano decisamente più complessi rispetto ai primitivi organismi eterotrofi, perché possedevano un sistema di pigmenti necessario per catturare l’energia solare.

Grazie alla comparsa degli autotrofi fotosintetici, il flusso di energia nella biosfera ha assunto la forma attuale: l’energia solare viene trasformata in energia chimica dagli organismi autotrofi fotosintetici, che forniscono e diventano nutrimento per tutte le altre forme di vita.

Gli organismi fotosintetici influenzarono il nostro pianeta e in particolare l’atmosfera terrestre. La fotosintesi comporta la rottura di una molecola d’acqua e il rilascio di ossigeno atmosferico come molecola libera. Prima, l’ossigeno rilasciato dagli oceani reagiva con il ferro disciolto per formare un precipitato di ossido di ferro. Successivamente, grazie ai processi fotosintetici, l’ossigeno iniziò ad accumularsi nell’atmosfera, rendendola più ospitale.

Questo aumento di ossigeno ebbe due conseguenze: lo strato più esterno di ossigeno nell’atmosfera divenne ozono (O₃). L’ozono svolge un’importante azione difensiva per gli esseri viventi terrestri in quanto assorbe le radiazioni ultraviolette (filtrando quindi le radiazioni solari) che per gli esseri viventi sono dannose. Questa importante azione protettiva dell’ozono permise agli organismi di popolare le acque superficiali e le terre emerse.

L’incremento di ossigeno libero permise agli organismi di utilizzare le molecole organiche libere per ricavarne energia attraverso la loro rottura in un processo ossidoriduttivo chiamato respirazione. Prima che l’atmosfera accumulasse ossigeno, le uniche cellule esistenti erano quelle procariotiche, cellule semplici, senza involucro nucleare (nucleoide) e senza un genoma organizzato in cromosomi. I primi procarioti erano probabilmente gli “archea”, capaci di vivere in ambienti fortemente ostili (a temperature e acidità estreme).

Con l’incremento di ossigeno comparvero le prime cellule eucariotiche, cellule con involucro nucleare, genoma complesso (con cromosomi), organuli come mitocondri (respirazione) e cloroplasti (fotosintesi), compartimentazione e sistemi di membrane. Inizialmente, i primi organismi fotosintetici erano cellule flottanti sotto la superficie delle acque illuminate dal Sole. Le risorse nutritive ed energetiche del mare aperto erano abbondanti ma vennero rapidamente impoverite dalla moltiplicazione di queste microscopiche cellule.

Come conseguenza diretta, la vita si sviluppò maggiormente sulle coste, dove le acque erano più ricche in nitrati e minerali provenienti da fiumi e torrenti che li distaccavano per mezzo dell’erosione dei sedimenti e per mezzo del moto ondoso della costa. Le coste rocciose rappresentavano un ambiente più complesso che, per ragioni evolutive, portò gli organismi acquatici a rendersi strutturalmente più complessi e a diversificarsi.

Comparvero quindi i primi organismi pluricellulari, dove più cellule si integravano e organizzavano unendosi per formare un corpo. Sono questi i primi organismi pluricellulari dai quali poi si originarono funghi, piante e animali. Ovviamente i fossili degli organismi pluricellulari sono più visibili e quindi lo studio dei fossili a partire dalla loro comparsa è decisamente più accurato. Gli organismi fotosintetici pluricellulari furono in grado di resistere al moto ondoso formando nuove strutture capaci di ancorare il loro corpo alle superfici delle rocce.

Inizia qui il processo di differenziazione delle cellule per comporre nuove strutture specializzate. Quando questi organismi aumentarono di dimensioni, le parti inferiori, non esposte alla luce solare, non riuscivano a ricavare nutrimento per mezzo della fotosintesi. Gli organismi differenziarono quindi nuovi tessuti che trasportavano il nutrimento dalla parte superiore del corpo (esposta alla luce e quindi fotosintetica) alla parte inferiore del corpo dell’organismo (non fotosintetica).

Un organismo fotosintetico necessita di: acqua, anidride carbonica, luce, ossigeno e pochi nutrienti minerali. La superficie terrestre, esposta alla luce solare, con un’atmosfera ricca di ossigeno e anidride carbonica e con un terreno ricco di minerali, è il posto ideale per questi organismi. Il motivo principale per cui un essere vivente effettua spostamenti sulla terra è: l’acqua.

Gli animali terrestri sono mobili e si spostano dove c’è acqua e cibo; i funghi sono immobili ma si radicano nelle zone più umide, sottobosco. Le piante invece utilizzano una strategia evolutiva alternativa: le radici, che penetrano in profondità nel terreno, assorbono acqua e minerali; il fusto collega le radici agli organi fotosintetici, le foglie, e svolge funzione di sostegno. Un flusso costante di acqua scorre verso l’alto lungo il fusto per raggiungere gli organi fotosintetici. L’epidermide, cioè lo strato più esterno di cellule dell’organismo, esposto all’aria, è ricoperto di un materiale ceroso detto cuticola, che permette una minore dispersione di acqua.

Tuttavia, la cuticola riduce anche lo scambio gassoso. La soluzione la ritroviamo negli stomi, costituiti da coppie di cellule specializzate (chiamate “di guardia”) che compongono una piccola apertura in questa cuticola. Gli stomi regolano quindi gli scambi gassosi sulla base delle esigenze della pianta e in base ai cambiamenti ambientali. Nelle piante giovani e in quelle annuali (la cui vita dura un anno), il fusto svolge anche il ruolo di organo fotosintetico. Nelle piante perenni (più longeve), il fusto perde la capacità fotosintetica formando un ispessimento chiamato corteccia, di natura legnosa (che svolge lo stesso ruolo della cuticola, cioè quello di limitare le perdite di acqua).

Sia nelle piante annuali, che in quelle perenni, troviamo il sistema vascolare (o di conduzione) presente nel fusto, il quale veicola le diverse sostanze tra parti fotosintetiche e non fotosintetiche. Il sistema vascolare presenta due componenti: lo xilema, che trasporta l’acqua verso l’alto, e il floema, che trasporta il nutrimento sintetizzato dalle foglie e nelle parti fotosintetiche verso ogni singola parte della pianta.

Le piante, non come gli animali, crescono per tutta la loro vita. Questo avviene grazie al meristema, tessuti composti da cellule totipotenti, capaci cioè di dividersi all’infinito aggiungendo sempre nuove cellule alla pianta. I meristemi localizzati agli apici delle radici e dei fusti, detti perciò meristemi apicali, consentono alla pianta di allungarsi per raggiungere nuove fonti di acqua e nutrimento (le radici che si estendono più in profondità per raggiungere nuovo suolo più ricco) (le parti fotosintetiche si estendono per aumentare la loro esposizione alla luce solare). La crescita dei meristemi apicali è detta crescita primaria. L’ispessimento delle radici e del fusto è invece la crescita secondaria, dovuta a:

• Due meristemi laterali;
• Cambio vascolare;
• Cambio subero-fellodermico.

Con la loro progressiva esposizione all’aria, le piante hanno sviluppato adattamenti utili alla loro riproduzione come la produzione di spore resistenti al disseccamento. La formazione di nuove strutture pluricellulari dove i gameti (cellule riproduttive) venivano conservati e protetti dal disseccamento. Nelle piante a semi (tutte eccetto felci, muschi, epatiche), la pianta giovane (embrione) è racchiusa da un rivestimento (tegumento del seme) fornito dalla pianta madre. Il seme è quindi protezione (per mezzo del tegumento) dell’embrione da predatori e dal disseccamento, oltre che riserva di cibo per la pianta embrione.

Evoluzione delle comunità

La conquista della terraferma da parte delle piante fu sconvolgente per l’ecosistema, perché le piante nel giro di poco tempo divennero padrone delle terre emerse, diventando così principali componenti dei biomi, cioè delle comunità naturali composte da piante e animali (flora e fauna), condizionati dal clima. Le comunità, in unione agli elementi non viventi, formano i sistemi ecologici, o ecosistemi. Un ecosistema è quindi composto da elementi transitori, cioè la cui vita varia da migliaia di anni a pochi minuti. Tuttavia, gli ecosistemi tendono ad essere stabili (seppur dinamici).

L’ecosistema è quindi una unità che si integra e all’interno della quale troviamo spostamenti ciclici di energia nelle diverse forme. Ogni essere vivente diventa infatti fonte di cibo per un altro organismo. L’energia solare catturata dalle piante verdi diviene disponibile per i diversi organismi prima di essere dissipata. Mentre l’energia deve essere fornita costantemente all’ecosistema, gli elementi entrano in un circolo dove sono gli organismi stessi ad esserne parti integranti: un organismo, attraverso la sua decomposizione (mediata da batteri e funghi), fornisce al suolo i propri elementi, disponibili quindi per le piante.

Questo importante ciclo, cui dipende la stabilità dell’ecosistema, trova in ogni sua componente elemento essenziale per l’integrità dello stesso (ecco perché si dice che ogni componente dell’ecosistema risulta fondamentale al mantenimento della sua stabilità). Responsabili principali della stabilità dell’ecosistema sono piante, alghe, batteri fotosintetici. Solo questi organismi sono capaci di catturare l’energia solare per convertirla in energia chimica (contenuta nelle molecole organiche sintetizzate), necessaria alla vita di tutti gli altri esseri viventi.

Per gli animali, come l’uomo, molti aminoacidi essenziali, vitamine e minerali possono essere ricavati esclusivamente dalle piante o da altri organismi fotosintetici. Inoltre, l’ossigeno rilasciato dagli organismi fotosintetici nell’atmosfera rende possibile la vita sulla terra emersa, in quanto necessario per la respirazione degli organismi e anche di quelli fotosintetici.

La comparsa dell’uomo

L’uomo, seppur comparso in tempi relativamente recenti se paragonati alla comparsa dei primi organismi viventi, è quello che ha sconvolto maggiormente la superficie del pianeta, adattando la biosfera alle proprie esigenze. L’agricoltura rese possibile la sopravvivenza umana e la costruzione di centri abitativi. Una caratteristica peculiare e fondamentale dell’uomo è la sua volontà di indagare sulla propria natura e sulla natura degli altri esseri viventi, infatti la nascita della biologia (studio degli esseri viventi), corrisponde al momento in cui l’aggregazione umana fu resa possibile dall’agricoltura. Quella parte della biologia che studia piante, procarioti, funghi e alghe, è chiamata botanica o biologia vegetale.

Come per tutte le branche, anche la botanica si è diversificata e specializzata, ed è suddivisa in:

• Fisiologia vegetale, studia il funzionamento delle piante, la loro crescita, sviluppo e trasformazione dell’energia;
• Morfologia vegetale, studia la forma;
• Anatomia vegetale, studia la struttura interna;
• Tassonomia e sistematica delle piante, attribuisce nomi, classifica e studia la relazione fra le piante;
• Citologia, studia le cellule, funzioni e origini;
• Genetica, studia l’eredità e la variabilità genetica;
• Genomica, studia il genoma, la sua organizzazione, contenuto, funzioni;
• Biologia molecolare, studia la struttura e le funzioni delle molecole biologiche;
• Botanica economica, studia l’utilizzazione passata, presente e futura delle piante da parte dell’uomo;
• Etnobotanica, studia la relazione fra cultura delle popolazioni indigene e l’uso delle piante;
• Ecologia, studia la relazione fra gli organismi e il loro ambiente (ecosistema);
• Paleobotanica, studia la biologia e l’evoluzione delle piante fossili.

I botanici studiano piante, virus, funghi, procarioti e protisti autotrofi (alghe). Gli eucarioti e i protisti eterotrofi sono studiati dagli zoologi. Lo studio di virus e procarioti da parte dei botanici si spiega in ragione delle numerose relazioni che essi creano con le piante.

Le molecole delle cellule vegetali

Tutto sulla terra è composto da elementi, sostanze che, con normali metodi, non possono essere scomposte. Carbonio, idrogeno e ossigeno sono elementi. Sono 6 gli elementi che compongono gli organismi viventi: Carbonio, idrogeno, azoto, ossigeno, fosforo, zolfo (CHNOPS). Le proprietà di ogni elemento dipendono dalla sua struttura atomica e dalle sue interazioni con altri atomi. L’acqua, H₂O, compone più della metà della materia vivente e solo l’1% è costituito da ioni potassio, magnesio e calcio. La restante parte è tutta composta da molecole organiche (contenenti carbonio).

Molecole organiche

Sono 4 le macromolecole principali che costituiscono le cellule, formate grazie al legame carbonio e alle sue particolari proprietà: I carboidrati, i lipidi, le proteine, gli acidi nucleici. Carboidrati e lipidi contengono carbonio, idrogeno e ossigeno. Le proteine contengono anche azoto e zolfo, gli acidi nucleici contengono anche fosforo e azoto.

Carboidrati

Sono le macromolecole più abbondanti in natura e la loro principale funzione è quella di riserva energetica per gli esseri viventi. Svolgono anche funzione strutturale, in quanto le pareti della cellula vegetale sono composti da cellulosa (polisaccaride), immersa in una matrice di carboidrati e proteine.

I carboidrati più semplici sono gli zuccheri semplici, cioè i monosaccaridi (composti da un unico zucchero) come il glucosio, fruttosio, ribosio, deossiribosio, galattosio... I disaccaridi, composti dall’unione covalente (per mezzo di legame glicosidico) di due zuccheri semplici: il saccarosio, il maltosio, il lattosio. I polisaccaridi sono invece catene di zuccheri come cellulosa e amido. I polisaccaridi (carboidrati complessi) sono veri e propri polimeri composti da monomeri (zuccheri semplici), uniti a formare polimeri nella polimerizzazione.

I monosaccaridi sono i carboidrati più semplici, aventi formula generale (CH₂O)_n. Dalla formula generale possiamo ben intendere il significato di carboidrato (carbonio con aggiunta di acqua). Strutturalmente, i monosaccaridi si compongono di una catena carboniosa formata da un numero variabile di atomi di carbonio (3=triosi, 4=tetrosi, 5=pentosi, 6=esosi). Ogni atomo di carbonio lega un gruppo ossidrilico, eccetto uno, che invece compone il gruppo carbonilico. Questi due gruppi funzionali sono idrofili e pertanto i monosaccaridi si sciolgono in acqua, dove formano la struttura ad anello.

L’interazione fra il gruppo carbonilico e l’ultimo gruppo ossidrilico permette la chiusura ad anello del monosaccaride. Il glucosio, l’aldoesoso più importante, è quello fondamentale per gli esseri viventi, principale fonte di energia per animali e piante. L’interazione fra monosaccaridi (per mezzo di una deidratazione) forma un legame covalente detto glicosidico. Questo legame forma i disaccaridi (unione di due zuccheri).