Biologia vegetale

Biologia vegetale

Etimologia e concetto di vita

Biologia deriva dalla combinazione del termine greco bios = vita e logos = discorso/studio/scienza, quindi è la scienza o lo studio della vita.

Il concetto di vita, in senso biologico, non coincide con quello filosofico. Nel pensiero greco antico, per esempio, venivano usati almeno tre termini per indicare la "vita", a seconda del loro specifico significato:

• Zoè = il principio, l'essenza della vita che appartiene in comune, indistintamente, all'universalità di tutti gli esseri e che ha come concetto contrario la non-vita (non la morte).
• Bios = indica le condizioni, i modi in cui si svolge la vita. Zoè è dunque la vita che è in noi e per mezzo della quale viviamo, bios allude al modo in cui viviamo, cioè le modalità che caratterizzano per esempio la vita politica, la vita contemplativa…
• Psychè = ricorre nel significato di "anima-respiro", il "soffio" vitale (principio individuale).

Discipline della biologia vegetale

La biologia vegetale è un insieme di discipline che si occupano di aspetti diversi:

• Morfologia vegetale: forma e struttura delle piante, a livello cellulare e di organismo.
• Botanica sistematica (o tassonomia): classificazione degli organismi vegetali.
• Fisiologia vegetale: funzioni vegetali.
• Patologia vegetale: malattie dei vegetali.
• Fitogeografia: distribuzione delle piante e delle comunità vegetali.
• Ecologia vegetale: relazione tra pianta e ambiente.
• Paleobotanica: piante fossili (evoluzione).
• Botanica economica: importanza economica delle piante.
• Botanica farmaceutica: uso delle piante e dei loro metaboliti per le loro attività biologiche.
• Biotecnologie vegetali: miglioramento delle piante mediante tecniche di laboratorio.

Importanza dello studio delle piante

Studiare gli organismi vegetali significa comprendere:

• Fondamenti della loro struttura
• Organizzazione del corpo
• Funzioni vitali
• Riproduzione
• Biodiversità e distribuzione
• Relazioni con l'ambiente

Questi ultimi due punti sono legati alla tutela e salvaguardia dell'ambiente, alla valorizzazione della biodiversità e all'economia circolare (produrre meno rifiuti possibili, 0 impatto ambientale).

Importanza per l'uomo.

Differenza tra regni

La diversità è una risorsa fondamentale per la vita. Caratteristiche che differenziano l’uomo dalla pianta:

La stanzialità delle piante permette la stabilizzazione dei terreni ed ha un’azione antierosione. La produzione dei metaboliti secondari è fondamentale per alimentazione, medicina, cosmesi e usi tecnici.

La fotosintesi permette: produzione di ossigeno e ozono, regolazione dei cicli dell’acqua (umidità/precipitazioni) e della temperatura (CO₂) come regolatori del clima.

Inoltre, le piante sono importanti per l’uomo perché sono:

• Fonti di energia:
  • Combustibili fossili (petrolio, carbone) derivano dalla decomposizione di organismi, per lo più vegetali, vissuti più di 100 milioni di anni fa.
  • Legno come combustibile.
  • Alcool da canna da zucchero come bioetanoli.
  • Oli combustibili da piante (biodiesel da colza, girasole).
  • Oli combustibili da alghe (biodiesel da microalghe).
• Fonti di materie prime:
  • Fibre tessili
  • Cotone
  • Legno

Classificazione e tipi di piante

La biologia vegetale non si occupa solo di piante, ma anche alghe, alcuni batteri, piante terrestri, funghi e licheni.

Le piante non sono tutte uguali: piante non vascolari (no differenziazione in organi, sono le più antiche) e vascolari (differenziazione organi), divise a loro volta in piante senza e con i semi, in base a come si riproducono. Quelle a seme si suddividono in quelle con fiore e senza fiore (Gymnosperme e Angiosperme).

Cellula vegetale

Organizzazione della vita biologica:

• Atomi
• Molecole
• Organelli cellulari
• Cellula (unità fondamentale dei viventi)
• Tessuto
• Organi
• Sistema di organi
• Organismi
• Popolazione
• Ecostistema
• Bioma
• Biosfera

Nell'ambito delle cellule si riconoscono due livelli di organizzazione:

1. Procarioti = batteri e archea.
2. Eucarioti = protisti, piante, funghi, animali.

Procarioti ed eucarioti

La cellula, l’unità fondamentale di tutti i viventi, ha dimensioni che variano da 1 a 50 micrometri e può essere procariote ed eucariote. Quest’ultima può essere animale o vegetale.

All’interno della cellula sono presenti una serie di piccoli comparti specializzati, gli organelli.

Ipotesi endosimbiontica

Nel precambriano, un batterio aerobico (che richiede ossigeno) fu ingerito da un batterio anaerobio con reciproco vantaggio. Nel tempo il batterio interno ha perso o spostato materiale genetico nel nucleo dell’ospitante, dando origine alla cellula eucariotica.

Classificazione della vita biologica

1894: la vita si classificava in tre regni: Animalia, Plantae, Protozoa.

1969: cinque regni: Animalia, Fungi, Plantae, Protista, Monera.

1977: sei regni: Animalia, Fungi, Plantae, Protista, Eubatteria, Archeabacteria. Nell’università di Urbana (Illinois), Woese e Fox stavano studiando i procarioti metanogeni (gruppo di microrganismi anaerobi obbligati, cioè che crescono solo in assenza di ossigeno) e dimostrarono che le sequenze degli Ssu-RNA (Small subunit ribosomal RNA) erano tanto distanti da quelle degli altri batteri quanto questo lo erano da quelle degli eucarioti. Fox disse che il mondo apparentemente unitario dei procarioti comprendeva due domini filogeneticamente distinti.

Negli anni '90, iniziarono a parlare di tre domini: Eukarya (Animalia, Fungi, Plantae, Protista), Bacteria (Eubatteria) e Archaea (Archeabacteria).

Nel 2004 si è passati a due domini e 7 regni: Eukaryota (Animalia, Fungi, Plantae, Protista, Chromista) e Prokaryota (Bacteria e Archaea).

Procarioti ed eucarioti: differenze

La cellula vegetale e animale hanno alcune differenze e somiglianze. Le cellule vegetali presentano:

• Plasmalemma (membrana)
• Plastidi (organelli tra cui i cloroplasti che le permettono di fare la fotosintesi, non presenti nelle cellule animali)
• Parete cellulare
• Grandi vacuoli (quasi il 90% della cellula, sono cisterne che servono all’organismo vegetale per articolare molte funzioni vitali)
• Perossisomi e gliossisomi

Le cellule animali presentano:

• Ciglia e flagelli
• Molti piccoli vacuoli e vescicole (contengono acqua e sostanze)
• Lisosomi
• Centrioli

Entrambe le cellule hanno in comune:

• Citoscheletro
• Nucleo
• Citoplasma
• Mitocondri
• Apparato di Golgi
• Reticolo endoplasmatico liscio e rugoso
• Ribosomi 80S

Dimensioni delle strutture dei viventi

Alcune cose sono visibili ad occhio nudo, fino alle uova di alcuni insetti. Altre, come cellule, batteri, organelli, sono visibili solo al microscopio ottico. Altre ancora, come proteine e virus, sono visibili solo al microscopio elettronico.

Unità di misura importanti:

• 1 mm = 10^-3 metri
• 1 micrometro = 10^-6 metri
• 1 nanometro = 10^-9 metri

Perché le cellule devono essere piccole?

È molto importante per la cellula mantenere un elevato rapporto tra la superficie esterna e il volume, al fine di garantire un adeguato scambio di nutrienti e di cataboliti per il citoplasma e dal citoplasma: più la cellula è piccola e maggiore è il rapporto superficie volume.

Tipologia di microscopio

Occhio nudo fino a 100 micrometri.

Da 100 micrometri a 100 nanometri: microscopio ottico, sorgente luminosa che permette di osservare il campione.

Da 100 a 0,1 nanometri: microscopio elettronico, adopera un fascio di elettroni che, interagendo con la superficie da analizzare, crea l’immagine che vedremo su di uno schermo. Le lenti sono magneti che generano dei campi elettromagnetici in grado di convogliare il fascio di elettroni sul campione. Le particelle espulse dal campione per interazione con il fascio di elettroni vengono registrate dal detector e rendono immagini.

Il microscopio elettronico può essere:

• A trasmissione TEM: le immagini che si ottengono sono in bianco e nero ma possono essere colorate digitalmente. Il limite massimo di ingrandimento è di 0,3 nm. Prima di esaminare il campione, il fascio di elettroni deve passare in una zona dove è stato creato artificialmente il vuoto, poi passa nel campione. Questo è limitato a campioni sufficientemente sottili da fare passare gli elettroni attraverso, quindi vengono usate tecniche di preparazione per assottigliare il campione. Può rilevare dettagli interni di una struttura biologica con un enorme ingrandimento. Le immagini sono piatte.
• A scansione SEM: il pennello elettronico scansiona la superficie con un fascio di elettroni e si ottiene un’immagine tridimensionale del campione. Però non vede i dettagli interni come il TEM, ma è per le superfici. Il campione deve subire delle procedure di coating speciali per incrementare le conduttività elettriche e per stabilizzarlo.

AFM = NONCONTACT ATOMIC FORCE MICROSCOPY: per la prima volta ha permesso di differenziare i legami chimici in una singola molecola attraverso un tipo particolare di microscopia.

Metabolismo, molecole e macromolecole

La materia vivente è continuamente soggetta a trasformazioni (reazioni) biochimiche, che sono espressione della vita stessa. L’insieme delle reazioni è detto metabolismo. Questo può essere di due tipi:

1. Catabolico: reazioni cataboliche che degradano sostanze complesse in più piccole subunità liberando energia.
2. Anabolico: reazioni anaboliche che da unità più piccole producono sostanze complesse consumando energia.

Monomeri e polimeri

I monomeri sono piccole molecole formate da un’unica unità molecolare, mentre i polimeri sono formati da un ripetersi di differenti monomeri, che, subendo reazioni per via del metabolismo anabolico, vengono legati tra loro.

I monomeri generalmente sono anche metaboliti, ovvero piccole molecole, tra cui anche qualche polimero a basso peso molecolare. Ci sono diverse classi di composti:

Molecole e macromolecole biologiche

DNA: Ci dice che cosa è possibile che accada in un organismo, non è detto che un’informazione del DNA si manifesti.

RNA: Ci dice cosa sembra che stia accadendo. C’è già la garanzia che qualcosa potrebbe accadere; sembra che stia accadendo qualcosa, in quanto c’è un messaggio in movimento.

Proteine: L’RNA codifica per le proteine, determinando cosa fa accadere le cose; effettore, qualcosa che fa accadere quello che deve avvenire. Sono responsabili del fenotipo.

Metaboliti: Indica cosa sta accadendo. È l’effetto del messaggio che porta l’RNA.

Metabolismo delle piante

Quando si parla di piante, bisogna fare una differenza tra due linee metaboliche e tre due tipi di metaboliti:

• Metaboliti primari: coinvolti in vie metaboliche del metabolismo primario, sono gli amminoacidi, gli zuccheri a basso peso molecolare, nucleotidi e acidi grassi a corta catena. Sono essenziali per la crescita, la riproduzione e lo sviluppo. Sono specie-specifici, ma generalmente comuni a tutte le specie. Per esempio, il glucosio presente in un animale o in un uomo è lo stesso presente in una pianta. Quindi i primari sono uguali per le piante e gli animali.
• Metaboliti secondari/funzionali/specializzati: presenti solo nelle piante. Non hanno un coinvolgimento diretto nelle funzioni vitali di base (non direttamente coinvolti per la crescita, sviluppo, riproduzione). Sono meno legati alle funzioni basali di una pianta rispetto ad altre macromolecole. Variano fortemente da organismo a organismo, estremamente particolareggiati per ogni pianta. Queste sostanze sono importanti per la botanica farmaceutica, in quanto sono dotate di attività medicinale/benefica per l’uomo. Esempi: THC, tannini, caffeina, cocaina. Non è detto che una pianta di caffè produca caffeina, ha le informazioni per produrlo, ma se la pianta è posta in una condizione in cui sente di non avere bisogno di produrre caffeina, non investe in questa produzione.

Alcune differenze fra piante e animali

Negli organismi “inferiori” (meno complessi) queste differenze possono essere meno marcate. Anche i funghi, i batteri e le alghe presentano un metabolismo complesso e secondario come quello delle piante.

Trasportatori di energia chimica

Negli organismi viventi l’energia chimica viene trasportata sotto forma di:

• ATP (adenosina trifosfato): gli enzimi idrolizzano i legami fosfato e si libera energia. Se i legami vengono idrolizzati cedono energia, mentre se vengono creati assorbono energia.
• Potere riducente (NADPH, NADH): può acquisire o cedere elettroni ottenendo energia disponibile per la cellula o l’energia viene immagazzinata; reazioni di ossido-riduzione.

Entrambe le molecole possono rilasciare o immagazzinare energia. I processi che generano questi composti sono:

• Fotosintesi
• Chemiosintesi (simile a fotosintesi ma i fotoni non sono coinvolti, quindi no energia luminosa)
• Respirazione
• Fermentazione

Cellula vegetale

La cellula vegetale comprende tre "comparti" (due, ma uno a sua volta è diviso in due) in relazione tra loro.

• Parete cellulare (all’esterno della membrana plasmatica): racchiude la cellula vegetale, è una struttura rigida che contiene il protoplasto.
• Protoplasto (tutto ciò che non è parete cellulare).
• Inclusi (gocce di oli e altre sostanze).

Protoplasma (citoplasma, citoscheletro, organuli, membrana plasmatica).

Il protoplasto è formato da:

• Membrana citoplasmatica, detta plasmalemma.
• La membrana citoplasmatica e la parete sono attraversati da procanali (sorta di buchi), che possono contenere estroflessioni della membrana, detti plasmodesmi, che permettono uno scambio diretto tra le cellule vegetali contigue.
• Citoplasma: matrice gelatinosa (citosol) costituita generalmente da acqua, metaboliti, proteine, Sali minerali, contiene gli organelli ed è dotato di citoscheletro.
• Citoscheletro: un sistema di filamenti di natura proteica deputati al sostegno, movimento degli organelli nel citoplasma, traslocazione di sostanze e, inoltre, concorrono a creare il fuso mitotico, importante per la divisione cellulare.
• Nucleo: si trovano il DNA e le proteine. Si ha una conservazione e trasmissione del materiale genetico (presiede alla sintesi delle proteine). Alcune cellule vegetali crescendo possono perdere il nucleo (tubi cribrosi) e averne più di uno (canali laticiferi).