Biologia vegetale

Introduzione alla biologia vegetale

Cos'è la biologia vegetale

La biologia vegetale è la scienza che studia i processi vitali che riguardano il mondo dei vegetali. Questi processi sono la morfologia (forma) e la fisiologia (funzioni), l’accrescimento (metabolismo), le interazioni (tra vegetali o tra vegetali ed animali) e la riproduzione.

Il termine vegetale spesso si usa per indicare le piante, ma comprende anche altri organismi, come i funghi (che però non fanno fotosintesi). La fotosintesi la fanno anche alcuni batteri e le alghe.

Le piante sono organismi autotrofi (producono autonomamente sostanza organica con la fotosintesi, che trasforma la sostanza inorganica in organica), sono pluricellulari e hanno differenziamento cellulare. La fotosintesi sfrutta la CO2 e l’H2O, usando l’energia luminosa, per produrre nuova sostanza organica indispensabile per gli eterotrofi, che dipendono dalle piante. Più del 90% della biomassa sulla terra è fatta da piante.

Elementi necessari per la vita delle piante

Le piante per vivere hanno bisogno di:

• Luce
• Ossigeno
• Acqua (nelle cellule vegetali c’è anche un organello che fa da riserva di acqua; le piante sono fatte per circa l’80% di acqua)
• Anidride carbonica (in atmosfera è circa lo 0.04%; è inorganica e viene fissata in una molecola organica)
• Sali minerali (come l’acqua, sono nel suolo, e sono sotto forma di ioni inorganici, come k+...)

Sono tutti elementi rinnovabili e ubiquitari (si trovano ovunque): è per questo che le piante si sono diffuse facilmente, gli eterotrofi hanno bisogno di più risorse. Le piante sono formate da radici, fusto, foglie (dove avviene la fotosintesi).

Produzione delle piante

Le piante producono:

• Sostanza organica (zuccheri, in particolare glucosio, che serve alla pianta per il proprio metabolismo)
• Ossigeno (è un prodotto di scarto della fotosintesi che viene rilasciato in atmosfera; nell’atmosfera primordiale non c’era)
• Vapor acqueo
• CO2

La maggior parte dell’acqua che assorbono passa nella pianta ma viene riemessa sotto forma di vapor acqueo che poi dà origine alle piogge (il 90% di quello che è in atmosfera deriva dalle piante, che lo emettono con la traspirazione e con la respirazione).

La CO2 è il principale responsabile dell’effetto serra: le radiazioni solari sono in parte assorbite dalla superficie terrestre che si riscalda e in parte sono riflesse dalla superficie terrestre e dall’atmosfera. Le radiazioni IR che tornano verso lo spazio, in parte vengono trattenute dalla CO2 e dagli altri gas serra, impedendogli di uscire dall’atmosfera. Le piante partecipano alla regolazione della CO2 in atmosfera, catturandola e abbassandone il livello.

L’ossigeno è importante per la formazione dello strato di ozono nella stratosfera (15-50 Km), che assorbe i raggi UV. Questo ha permesso lo sviluppo di vita sulla terraferma: la comparsa dell’ossigeno nell’atmosfera in seguito all’evoluzione di Organismi autotrofi (circa 3 miliardi di anni fa) ha permesso l’evoluzione di organismi aerobi e la successiva conquista della terraferma (500-450 milioni di anni fa).

Utilizzo delle piante

Le piante perdono acqua (con respirazione e traspirazione) per far salire acqua e sali minerali dalle radici alla parte aerea (le foglie, dove avviene la traspirazione, in particolare negli stomi, che regolano lo scambio di gas, e quindi anche di vapor acqueo).

L’altro vapor acqueo (minore di quello prodotto dalla traspirazione) presente in atmosfera deriva dall’evaporazione dei corpi idrici (processo passivo, senza regolazione). Poi il vapor acqueo dà origine alle piogge (è il ciclo dell’acqua).

Le piante sono fonte di molteplici prodotti utili per la società umana:

• Cibo
• Profumi
• Coloranti
• Bevande
• Legname
• Carta
• Tessuti (es. Cotone)

L’uomo utilizza da moltissimo tempo le piante per:

• Alimentazione - agricoltura (10.000 anni fa circa e poi affermata nel Neolitico, VI-V sec. A.C). Oggi le piante coltivate per scopi alimentari sono pochissime (grano, mais, colza, riso....). Con meno diversità di coltivazioni, aumentano le malattie e si diffondono più velocemente tra le piante.
• Riscaldarsi (legna e combustibili quali carbone e petrolio)
• Legname
• Proprietà farmacologiche (per il recupero da certe malattie; vivere vicino ad un’area verde fa bene al cervello, si sviluppa l’amigdala)
• Per fini ricreativi (nei giardini, nei parchi...)

La botanica come scienza

Inizialmente l’interesse per le piante è stato funzionale per usi pratici. Lo scopo era la produzione di cibo, fibre, carburante e medicamenti. Successivamente l’interesse divenne culturale (per arricchire la conoscenza scientifica). Come scienza comporta l’osservazione, la registrazione, l’organizzazione e la classificazione delle informazioni.

La biologia vegetale comprende molte discipline:

• Morfologia e anatomia vegetale (riguarda principalmente la struttura esterna e interna delle piante; dendrocronologia (paleobotanica))
• Fisiologia vegetale (riguarda le funzioni delle piante).
• Sistematica e tassonomia vegetale:
• Sistematica vegetale (come si raggruppano le piante, i criteri per dividerle)
• Tassonomia vegetale (i tassonomi raccolgono le piante: descrizione, denominazione e classificazione, quindi metterle nel giusto gruppo)

Sviluppo del sistema di nomenclatura a due nomi:

• Teofrasto per primo tentò di organizzare e classificare le piante nel IV secolo a.C. (Classificò circa 500 piante sulla base delle caratteristiche delle foglie).
• Verso l’inizio del XVIII secolo, negli schemi di classificazione vennero utilizzati dettagli sulla struttura del frutto e del fiore, oltre alla loro forma.

Ci sono tante piante (ca. 300.000 specie), soprattutto quelle che producono fiori (angiosperme).

Linneo (1753) - Species Plantarum - classificò le piante conosciute e gli animali in accordo al loro genere di appartenenza. Cambiò anche le definizioni latine per sottolineare le relazioni tra le specie presenti entro i generi. Limitò il nome latino ad un massimo di 12 parole e abbreviò i nomi a due sole parti (binomi). La prima è il genere, la seconda è la specie e poi c’è anche il nome abbreviato della persona che l’ha descritta per la prima volta. (es. Allium cepa L. - “cipolla”)

Diversificazione dello studio delle piante

• Fitogeografia (studio della distribuzione geografica delle piante).
• Ecologia vegetale (studio dell’interazione tra piante ed ambiente).
• Genetica (scienza dell’ereditarietà - per lo sviluppo di piante migliori per l’agricoltura, la medicina ed altri usi - Ingegneria genetica e OGM)
• Biologia cellulare (studio della struttura e delle funzioni della cellula).

Le prime osservazioni della cellula sono state fatte con microscopi: Antony van Leeuwenhoek (Olanda, 1632-1723) fece delle prime osservazioni delle cellule in sezioni di sughero e vide dei piccoli spazi che furono chiamati celle (da qui il nome cellula).

Teoria cellulare di Schleiden e Swann 1840: le cellule sono gli elementi costitutivi di tutti gli organismi viventi.

Principi di sistematica, tassonomia ed evoluzione vegetale

Classificazione dei gruppi principali

• I Generi vengono oggi raggruppati in Famiglie
• Le Famiglie sono raggruppate in Ordini
• Gli Ordini sono raggruppati in Classi
• Le Classi sono raggruppate in Phyla.
• I Phyla sono raggruppati in Regni.

Sviluppo del concetto di Regno (gruppi più grandi):

• I primi schemi di classificazione suddividevano tutti gli organismi viventi in piante o animali. La distinzione funziona bene per gli animali complessi, ma non per gli organismi più semplici.
• Hogg e Haeckel proposero un terzo Regno intorno al 1860: tutti gli organismi che non sviluppano tessuti complessi vennero piazzati nel Regno Protoctista (Protisti, sono sia uni- che pluri-cellulari, es. Spugne e alghe). Non sviluppano un’organizzazione in tessuti (non hanno differenziamento cellulare).
• Nel 1938 Copeland propose che tutti gli organismi unicellulari con cellule procariotiche venissero separati nel Regno Monera.
• Nel 1969 Whittaker separò i Funghi dal Regno Protista: eucarioti, sia uni- (es. Muffe e lieviti) che pluri-cellulari (quelli che si trovano), hanno una parete cellulare che contiene la chitina, presente anche nell’esoscheletro degli insetti; non hanno però cellulosa, infatti non sono verdi e non fanno fotosintesi; non hanno differenziamento cellulare - hanno cellule particolari molto allungate, dette ife, che formano il micelio, la parte che sta sottoterra.
• Negli anni 90, Woese affermò che il Regno Monera doveva essere separato in Archaea e Bacteria.

Attualmente sono quindi presenti sei Regni: Archaea - Batteri - Protisti - Funghi - Piante - Animali

Stabilire i criteri per dividere le piante

Cladistica

È un metodo per esaminare le relazioni intercorrenti tra organismi in base a caratteristiche in comune (es. filogenetica - antenati comuni - quelli che hanno uno stesso antenato in comune sono dello stesso gruppo). Le relazioni vengono rappresentate tramite diagrammi a linee. Il valore o la forma di una caratteristica di un organismo viene chiamato stato del carattere.

Cladogramma: Nel tentativo di scegliere il miglior cladogramma, i tassonomi utilizzano il principio della parsimonia.

Rasoio di Occam: “non bisognerebbe fare più assunzioni di quante siano necessarie per spiegare un fenomeno”. Il miglior cladogramma è quello che richiede il minor numero di cambiamenti evolutivi nei taxa coinvolti.

Prima si studiavano i reperti fossili per trovare i rapporti evolutivi, oggi si usano approcci molecolari (si studia il genoma di un gruppo di organismi per trovare la storia evolutiva - con questi metodi si arriva a qualche milione di anni fa, ca. 5).

Angiosperm Phylogeny Group (APG) 1998: gruppo di sistematici botanici che hanno impiegato soprattutto informazioni di tipo molecolare per la riorganizzazione della classificazione delle angiosperme (294.000 su 350.000 specie di piante conosciute). La classificazione delle piante è dinamica, in continuo cambiamento; anche la denominazione binomia cambia spesso.

Le varie revisioni (ancora oggi in corso):

• APG I 1998
• APG II 2003
• APG III 2009
• APG IV 2013

Suddivisione in base all’organizzazione cellulare

• Procarioti: cellule senza differenziamento di organelli, DNA circolare ancorato alla membrana plasmatica - batteri (cianobatteri)
• Eucarioti: cellule con organelli citoplasmatici, DNA in forma di cromosomi racchiuso nel nucleo - protisti, funghi, piante, animali

Suddivisione in base al numero di cellule che compongono l'organismo

• Unicellulari (batteri, alghe, alcuni funghi)
• Coloniali - le cellule della colonia non comunicano tra loro (batteri, alghe)
• Pluricellulari:
• Cellule tutte uguali (no differenziamento cellulare) Alghe, Funghi
• Cellule diverse tra di loro (differenziamento cellulare) Piante

Riproduzione

• Via vegetativa (nei procarioti - monera): una cellula genera un’altra cellula uguale a se stessa, con scarsa variabilità genetica. Molte piante lo possono fare (innesti, le patate con le gemme dormienti...)
• Riproduzione sessuale (con la meiosi, ci sono cellule specializzate, i gameti, che non si dividono mai, si fondono solo con altri gameti): porta a una grande variabilità genetica (i gameti sono tutti diversi tra loro). Per questo dalla comparsa degli eucarioti si ha una rapida evoluzione organica.

Storia evolutiva

• 4,5 mld di anni fa - nascita terra
• 3 mld di anni fa - procarioti (lenta evoluzione organica)
• 1 mld di anni fa - eucarioti (rapida evoluzione organica)
• 500 mln di anni fa - prime piante sulla terra ferma

Tipi di metabolismo nei vegetali

Il metabolismo è l'insieme delle reazioni biochimiche, in genere catalizzate dagli enzimi, che consentono la vita di un organismo.

Anabolismo

Sintesi di sostanze complesse a partire da sostanze più semplici (richiede energia), es. sintesi proteica.

Catabolismo

Degradazione di sostanze complesse a sostanze più semplici (libera energia), es. respirazione - da sostanza organica a CO2, H2O e energia.

Anabolismo: organismi autotrofi

Sono in grado di sintetizzare sostanza organica a partire da sostanza inorganica (Cianobatteri (alghe verdi-azzurre), alghe, piante).

Organismi eterotrofi

Non sono in grado di sintetizzare sostanza organica a partire da composti inorganici. Al massimo possono trasformare sostanza organica semplice in più complessa. Devono quindi assumere composti organici dall'esterno, prodotti dagli autotrofi (funghi, animali).

Autotrofi

Gli autotrofi sono alla base delle catene trofiche:

• Autotrofi fotosintetici (fotoautotrofi): sfruttano l'energia luminosa per produrre sostanza organica.

6CO₂ + 6H₂O + energia luminosa → C₆H₁₂O₆ + 6O₂

Autotrofi chemosintetici (chemioautotrofi)

Trasformano la sostanza inorganica in organica, ma per farlo usano energia chimica che ottengono dall'ossidazione di composti inorganici (idrogeno, azoto, zolfo).

Sono batteri:

• Archibatteri (Metanobatteri, solfobatteri) che vivono nei depositi lacustri, nelle paludi, o nelle profondità oceaniche.
• Batteri nitrificanti (Eubatteri) trasformano lo ione ammonio in nitriti e quindi in nitrati (ciclo dell'azoto); vivono nel suolo.

Eterotrofi: funghi

Come si procurano la sostanza organica di cui hanno bisogno? In diversi modi:

Funghi saprofiti

Si nutrono di sostanza organica morta (alberi caduti, foglie), sono importanti perché partecipano al riciclo degli elementi (se non si riciclasse, si accumulerebbe troppo): i funghi, insieme ad altri organismi decompositori (batteri), degradano la sostanza organica in sostanza inorganica; in questo processo liberano energia che usano per il loro metabolismo. Sono funghi facilmente riconoscibili perché stanno sulla superficie di corpi organici morti, come alberi o rami caduti. Si chiama saprotrofismo la modalità che usano alcuni eterotrofi per cibarsi di sostanza organica morta.

Funghi parassiti

Stanno sugli alberi vivi (penetrano con le ife, le cellule fungine, nella pianta e estraggono sostanza organica viva - es. i funghi a mensola). Le ife, penetrando nella pianta, compromettono la stabilità dei tronchi, facendoli anche cadere.

Funghi simbiontici

Si creano simbiosi mutualistiche tra due o più partner, c’è un mutuo vantaggio nello stare insieme: per il fungo è quello di avere sostanza organica, per il partner, dipende dall’organismo.

Es. Licheni: consistono nella simbiosi di un fungo e un alga intimamente associati in un tallo spugnoso, o tra un fungo e un cianobatterio. Il componente fotosintetico (l’alga) fornisce il cibo (sostanza organica), mentre il fungo protegge gli organismi fotosintetici dalle intensità luminose dannose (radiazioni solari) e migliora l’assorbimento di acqua e sali minerali.

• Tre generi di alghe verdi e un genere di cianobatteri sono coinvolti nel 90% di tutte le specie di licheni (i tipi di funghi invece possono essere molti)
• Circa 14.500 specie

Anche i licheni hanno denominazione binomia (anche se non sono un unico organismo)

Generalmente raggruppati in tre principali forme di crescita:

• Crostosi: attaccati o inglobati nel substrato con l’intera superficie inferiore.
• Fogliosi: formati da talli simili a foglie che spesso si sovrappongono.
• Fruticosi: possono assomigliare a piccoli cespugli eretti o pendere in festoni dai rami.

Alcuni funghi possono attuare tutte e tre le strategie (simbionte, parassita e saprofita) a seconda della condizione in cui si possono trovare (es. Armillaria mellea).

I funghi possono fare simbiosi anche con le radici delle piante: si chiamano micorrizze. Il fungo potenzia la capacità della pianta di assorbire H₂O e sali minerali.

Ci sono 2 tipi di micorrizze:

• Ectomicorrizze: le ife rivestono la radice, ma non penetrano
• Endomicorrizze: le ife penetrano all’interno della radice e delle cellule

Quasi tutte le piante hanno micorrizze, anche perché possono aiutare a superare periodi di clima avverso es. siccità. Un esempio sono i tartufi, che hanno una relazione simbiontica con le radici di Quercia. In alcuni casi, senza il fungo, la pianta non si sviluppa e muore (come le orchidee, che hanno bisogno dei funghi per la germinazione del seme).

Fermentazione

La fermentazione è una via catabolica che avviene in assenza di ossigeno. Rispetto alla respirazione completa produce meno ATP.

• Aerobi obbligati: gli serve l’ossigeno, fanno la respirazione.
• Anaerobi obbligati (batteri)
• Anaerobi facoltativi (alcuni funghi)

Fermentazione alcolica

È effettuata da funghi per lo più appartenenti al genere Saccharomyces (es. Lieviti). Sono funghi unicellulari che si ritrovano in abbondanza sulla buccia dei frutti. Degradano parzialmente il glucosio in alcol etilico. Sono sfruttati sia nella fermentazione panaria (la CO₂ prodotta dalla fermentazione fa gonfiare il pane), che in quella vinaria. Può avvenire anche nel nostro corpo (in carenza di ossigeno per sforzo fisico, quando si va in anaerobiosi, e si forma l’acido lattico).

È da notare che la fermentazione può avvenire anche nelle cellule di molte piante superiori quando l’O₂ non è disponibile. Es. nelle radici in suoli acquitrinosi, nei semi germinanti, dove si può formare anche acido lattico. Quindi anche organismi generalmente aerobi possono fare la fermentazione in determinate condizioni di scarsa disponibilità di ossigeno.