Biologia vegetale, riassunti

Biologia vegetale riassunti

Introduzione

Nutrizione

Nel pianeta si sono formate molecole organiche a partire da molecole inorganiche. Queste molecole organiche hanno poi raggiunto una complessità tale da creare i primi organismi biologici. A un certo punto, si è verificata una crisi biologica: le molecole organiche cominciavano a scarseggiare e questi organismi hanno iniziato a entrare in competizione tra loro. Questa pressione evolutiva ha portato alcuni organismi a differenziarsi in organismi autotrofi, con nutrizione autotrofica. Gli organismi autorevoli utilizzano CO2, acqua e qualche elemento minerale per produrre composti organici del carbonio. Per produrre questi composti c’è bisogno di energia:

• Nutrizione chemioautotrofa: alcuni batteri ricavano energia dalle sostanze inorganiche
• Nutrizione fotoautotrofa: le piante verdi ricavano energia dalla luce.

Procarioti

I procarioti sono organismi molto antichi. Le cellule procariote non hanno organuli citoplasmatici, né citoscheletro, né nucleo. Tuttavia, possiedono un genoma formato da una molecola di DNA circolare e dei plasmidi. Presentano una membrana e doppio strato fosfolipidico circondata da una parete più o meno complessa che porta alla distinzione tra batteri gram positivi e gram negativi. I procarioti hanno flagelli per la mobilità, pili per la coniugazione e fimbrie per l’adesione. Spesso i procarioti formano delle colonie.

Il biofilm è una patina, colonia batterica, su uno stesso substrato. I biofilm si formano per necessità, magari perché il substrato è una fonte per il metabolismo dei batteri formanti la colonia. Il più grosso vantaggio dei procarioti è la loro estrema adattabilità e ciò si nota specialmente nella loro diversità metabolica. Ci sono procarioti autotrofi ed eterotrofi che ricavano energia dalla demolizione di molecole organiche e tra essi ci sono i procarioti saprofiti che svolgono la decomposizione.

I procarioti si possono distinguere anche in base alla presenza di ossigeno:

• Aerobi: che vivono in presenza di ossigeno.
• Anaerobi: che si dividono in procarioti obbligati (che non possono vivere in presenza di ossigeno) e quelli facoltativi.

I procarioti si possono distinguere anche in base alla temperatura in cui vivono:

• Psicrofili: vivono a temperature di 0° o meno
• Termofili: tra 45° e 80°C.
• Termofili estremi: 100° o più.

I procarioti si sono formati a partire da due regni:

• Archea: sono i più antichi e vivono nelle condizioni più estreme. Il loro estremismo nasce dal fatto che la competizione con altri procarioti sarebbe per loro svantaggiosa. Sono archea:
  • Gli alofili: vivono in acque ricche di cloruro di sodio. La loro cellula elabora la rodoxina, un pigmento rosa-rosso.
  • I metanogeni: il loro metabolismo produce metano come sostanza di scarto. Sono organismi anaerobi che vivono nelle paludi o in colonie nell’intestino degli animali (coltivando questi batteri e fornendo loro come substrato della materia organica, essi liberano metano).
  • I termofili: vivono in ambienti estremi, sopra gli 80°. Emettono zolfo minerale e quindi le acque appaiono gialle.
• Cianobatteri: (alghe azzurre), sono fondamentali nel ciclo dell’azoto e del carbonio. I cianobatteri svolgono fotosintesi ricavando energia dalla luce e producendo ossigeno. Affinché avvenga la fotosintesi occorrono molecole molto complesse chiamate pigmenti fotosintetici. Si dividono in tre classi di pigmenti:
  • La clorofilla,
  • I carotenoidi,
  • Le ficobiline (ficocianina, che finisce al batterio un colore blu, e la ficoeritrina, che fornisce al batterio un colore rosso).

La cellula di un cianobatterio è una cellula procariota che presenta una membrana circondata da una parete. Non c’è nucleo e non ci sono organuli citoplasmatici, ma c’è un sistema molto complesso di membrane appiattite e addossate le une alle altre sulle quali si trovano i pigmenti fotosintetici. Si parla di tilacoidi, sui quali avviene la fotosintesi. Circondata da una guaina micillaginosa, cioè un gel che trattiene acqua e protegge dal dissecamento. Ogni gruppo di cianobatteri forma colonie facilmente distinguibili poiché di forme differenti.

L’oscilatoria è una colonia di tante cellule tenute insieme da una guaina tubolare libera di galleggiare nell’acqua. Quando una singola cellula si muove, l’intera colonia vibra. Il nostoc è una colonia di cianobatteri a forma di sfera. I cianobatteri, oltre ad essere indipendenti, possono vivere in simbiosi con altri tipi di organismi (il lichene è una simbiosi tra un fungo e un cianobatterio). Gli stromatoliti sono dei sedimenti di calcio formati da moltissimi cianobatteri nel corso degli anni.

In una colonia di cianobatteri, la maggior parte delle cellule compie metabolismo per mantenere in vita la colonia stessa, ma alcune cellule possono assumere funzioni diverse:

• I cianobatteri vivono in acqua, dove la luce è più abbondante in superficie: alcune cellule diventano dei vacuoli gassosi.
• Quando una pozzanghera si forma, si formano anche delle colonie di cianobatteri che vivono fin tanto che c’è acqua. Diventano spore di resistenza, chiamate acineti. Isolate dal resto della colonia con una parete molto spessa.
• Ci sono cosiddette eterocisti che convertono l’azoto gassoso in ammonio attraverso l’azotofissazione, reazione che richiede ATP. Questa reazione è possibile grazie all’enzima nitrogenasi e pur essendo molto dispendiosa energicamente porta a un grosso vantaggio. L’ammonio è utile a molti organismi: può circolare in acqua ed essere convertito in nitriti e nitrati. La nitrogenasi funziona solo in condizioni di anaerobiosi ed è per questo che gli eterocliti presentano una parete molto spessa, che impedisce all’ossigeno di entrare e inattivare la nitrogenasi. Le eterocisti sono connesse alle altre cellule mediante i plasmodesmi, dei canali di comunicazione che vengono utilizzati per passare l’ammonio alle cellule vicine che lo useranno per il proprio metabolismo.

I cianobatteri rappresentano anche un problema. D’estate essi cominciano a dividersi in modo esponenziale. Le sostanze inorganiche sono sostanze a base di azoto, fosforo e potassio. In queste condizioni rilasciano tossine ma tossiche per gli animali. I cianobatteri non hanno valori nutrizionali e non sono commestibili, ad eccezione del genere spirulina, un integratore di sali minerali derivato da alcune alghe, che sono in realtà colonie voluminosissime di cianobatteri. I cianobatteri, evolvendosi, hanno cominciato a liberare tanto ossigeno. L’ossigeno molecolare O₂ ha trovato condizioni chimiche tali da diventare O₃, cioè ozono. L’ossigeno ha quindi permesso la vita terrestre.

Alcune cellule hanno regredito, tornando a fagocitare molecole organiche già esistenti: si tratta della nutrizione fagotrofica. Queste poi si sono evolute in animali unicellulari e in animali superiori. Alcune cellule hanno sviluppato una nutrizione sapotrofica (funghi), e altre un’alimentazione autotrofica che si è mantenuta e ha portato allo svilupparsi delle piante. Le cellule hanno acquisito la capacità di fagocitare. Secondo la teoria endosimbiotica, un’endocitosi mancata ha originato una cellula dentro un’altra cellula, originata in questo modo la cellula eucariote, con un mitocondrio al suo interno. Alcune cellule hanno iniziato a svolgere la respirazione cellulare. Poi tale cellula ha subito un’altra endosimbiosi fagocitando un cianobatterio che svolge la fotosintesi.

Struttura

A un certo punto, gli organismi hanno perso la condizione di unicellulari e le cellule delle colonie hanno cominciato ad avere rapporti più stretti: si sono formati gli organismi pluricellulari, più efficienti meccanicamente e con un miglior ancoraggio fisico al substrato. La vita vegetale si sta ora spostando nelle regioni costiere. Si formano le radici, che assorbono acqua e ancorano la pianta al suolo. Gli organi fotosintetici, cioè le foglie, sono immerse nell’aria, la quale permette una gestione ottimale dei gas. Si forma il fusto, che deve sorreggere e mettere in comunicazione. Infine si forma il tessuto tegumentale o epidermide, con anche il compito di proteggere dall’evaporazione dell’acqua. Per favorire gli scambi gassosi, sull’epidermide si formano aperture regolabili, gli stomi.

Possiamo ora distinguere due grosse categorie di organismi vegetali, diversi per struttura e funzioni:

• Le tallofite: il cui corpo è un tallo. Ogni cellula di una tallofita può essere considerata autonoma. Nelle tallofite, l’acqua è in equilibrio statico, poiché l’organismo è interamente immerso nell’acqua, quindi sono in balia delle correnti. Per riprodursi, principalmente liberano delle spore, cioè degli organi riproduttivi in grado di germinare e formare un nuovo individuo.
• Le cormofite: il cui corpo è il cormo. Questi organismi hanno un sistema di ancoraggio, un sistema di trasporto e un sistema di cattura dell’energia luminosa. Ogni cellula ha la stessa funzione se appartiene allo stesso tessuto, la liberazione di spore non è efficiente e questi organismi hanno dovuto evolvere diverse strategie per riprodursi. Hanno sviluppato delle spore resistenti al disseccamento, non ciliate, dove i gameti venivano sempre più protetti, fino ad arrivare al seme.

Riproduzione

Esistono due tipi di riproduzione:

• La riproduzione agamica o vegetativa: una cellula divide il proprio corredo cromosomico in due parti uguali tramite mitosi. Si ottengono due cellule figlie che sono dei veri e propri cloni della madre. Le modalità più comuni di riproduzione vegetativa sono:
  • Scissione: caratteristica di organismi unicellulari, si ottengono due organismi identici.
  • Gemmazione: dalla cellula madre si sviluppa una gemma, da cui si svilupperà un organismo uguale a quello di partenza.
  • Frammentazione: non riguarda la divisione di cellule, ma la divisione di una parte dell’organismo. È tipica di organismi coloniali, ma può avvenire anche in piante superiori. (Es. alcune sviluppano degli stoloni che possono originare nuove piante come per le fragole; alcune piante come le bulbose si riproducono mediante fusti sotterranei o rizomi; alcune piante emettono dei polloni che possono originare nuove radici; alcune piante emettono dei propaguli fogliari, cioè delle gemme poste sulle foglie, se queste gemme vengono urtate si staccano emettendo radici e formano nuove piante.)
  • Sporulazione: si ottiene tramite formazione di spore, cioè strutture unicellulari liberate nell’ambiente che in condizioni idonee svilupperanno organismi completi. È tipica di alghe e funghi.

Nel regno animale generalmente le cellule somatiche sono diploidi, mentre i gameti sono aploidi. Nel regno vegetale esiste la polipoidia, cioè la presenza di uno o più cromosomi replicati più di due volte.

• La riproduzione sessuale o gamica: l’embrione, nelle piante superiori, è contenuto nel seme.
  • Meiosi zigotica: uno zigote entra in meiosi. Si ottengono due cellule aploidi di polarità opposta. Queste due cellule non si fondono nuovamente, ma danno origine a due organismi pluricellulari mediante meiosi. A un certo punto, alcune delle cellule di questi organismi diventano dei gameti. I gameti di polarità opposta si fondono e formano lo zigote.
  • Meiosi gametica: lo zigote diploide si replica formando un organismo pluricellulare diploide. A un certo punto, alcune cellule entrano in meiosi e formano gameti aploidi. Gameti con diversa polarità si fondono e formano lo zigote.
  • Meiosi sporica: in questo ciclo si alternano generazioni d’individui aploidi e generazioni d’individui diploidi, difatti questo ciclo si chiama anche alternanza di generazione. Dallo zigote si origina un individuo pluricellulare diploide chiamato sporofito. Alcune cellule di questo individuo entrano in meiosi e producono delle spore aploidi con polarità sessuale. Ciascuna spora, tramite mitosi, sviluppa un organismo pluricellulare aploide chiamato gametofito con una polarità sessuale ben distinta. Questi individui producono dei gameti tramite mitosi che si fonderanno e formeranno lo zigote, a questo punto il ciclo si ripete.

Se sporofito e gametofito sono visivamente uguali si parla di generazioni isomorfe, se gametofito e sporofito si possono identificare si parla di generazioni eteromorfe. La riproduzione agamica è più veloce e permette di colonizzare rapidamente ambienti nuovi. Il dispendio energetico è minimo. Tuttavia, si ottengono individui tutti identici. Se l’ambiente subisce anche una minima variazione gli individui potrebbero non adattarsi, inoltre se l’individuo di partenza contiene dei geni nocivi, li trasmette a tutti gli individui seguenti. La riproduzione sessuale comporta un notevole consumo di energia, tuttavia portando novità nel corredo cromosomico dei figli essi possono adattarsi a nuovi ambienti.

Classificazione delle piante

Si possono classificare in base alle caratteristiche fitochimiche (principi attivi), in base alle caratteristiche farmacologiche (attività terapeutiche) e in base alle caratteristiche botaniche (tassonomia). La sistematica è una scienza che fornisce un sistema logico per classificare le piante, fornisce criteri e principi per identificarle e riconoscerle.

Funghi

Struttura

I funghi sono costituiti da cellule con una parete, sono eucarioti, eterotrofi, in maggioranza pluricellulari e ubiquitari. I funghi appartengono a un regno a parte, il regno dei funghi. Il loro corpo è costituito da un insieme di filamenti sottili chiamati ife. Una massa di ife costituisce il micelio. Le ife sono l’unità elementare dell’organizzazione biologica del fungo; hanno una struttura tubolare ripiena di citosol. Ogni ifa non è suddivisa in tante cellule, ma può essere divisa in setti: ife settate, ife non settate. Questi setti possono poi essere completi o presentare delle aperture che mettono in comunicazione i vari compartimenti. Ogni ifa presenta una parete fatta di chitina. I funghi utilizzano lipidi e glicogeno, hanno una nutrizione saprofita, poiché si nutrono di sostanze organiche già formate. Tuttavia, non possono ingerire sostanze solide poiché non sono dotati di un apparato digerente. Per ovviare al problema essi secernono all’esterno degli enzimi che demoliscono la sostanza organica in composti più semplici. Le ife rizoidi assorbono attraverso la loro parete le molecole organiche semplici.

• I funghi parassiti: sono dotati di ife specializzate, gli austori, che vengono iniettate nei tessuti dell’ospite. Il fungo parassita si prende i nutrienti già digeriti direttamente dalla pianta.
• I funghi mutualistici: stabiliscono rapporti di simbiosi dove sia il parassita, sia l’ospite ricavano vantaggio.
• I funghi necrotrofi: si nutrono di sostanza organica già morta e hanno una grande importanza ecologica.

I funghi operano la fermentazione alcolica. In ambiente anaerobio e ricco di zuccheri semplici, liberano CO₂ e alcol etilico come sostanza di scarto.

Riproduzione

I funghi superiori hanno modalità di riproduzione più complesse. In pratica, la loro riproduzione avviene mediante la produzione di spore ottenute per mitosi, chiamate mitospore o conidi. I conidi possono essere esoconidi o endoconidi, a seconda che vengano poi espulse dalla cellula che le ha generate. Per quanto riguarda la riproduzione sessuale, possiamo avere:

• Isogamia: produzione di gameti identici tra loro.
• Eterogamia: produzione di gameti con polarità sessuale opposta. Il gamete femminile è morfologicamente più sviluppato di quello maschile.

I funghi possono anche attuare la gametangiogamia, una riproduzione sessuale che avviene senza l’uso di gameti. Ife di polarità sessuale opposta fisicamente vicine si accrescono e quando vengono a contatto si fondono.

Classificazione

Ascomiceti: possono essere saprofiti, parassiti e simbionti. Sono ascomiceti lieviti e funghi parassiti. Si dividono in tre classi:

• Schizosaccharomycetes.
• Saccharomycetes. I primi due fanno parte dei lieviti.
• Ascomycetes. Sono essenzialmente funghi terrestri con ife organizzate in un micelio che forma una struttura complessa chiamata corpo fruttifero. Il corpo fruttifero può essere di tre tipi: cleistotecio, peritecio, e l’apotecio. Sopra o all’interno del corpo fruttifero c’è uno strato di ife chiamato imenio fertile. Sull’imenio fertile, tutti gli ascomycetes sviluppano degli sporangi detti aschi, strutture che producono e contengono le meiospore necessarie alla riproduzione.

Penicillium:

• Penicillium glaucum (muffa verde del formaggio)
• Penicillium notatum e penicillium chrysogenum (produce penicillina che altera il meccanismo riproduttivo di molti procarioti.

Aspergillus:

• Aspergillus glaucus (muffe che intaccano substrati come muri o carta)
• Aspergillus oryzae (per sake e soia)
• Aspergillus flavus (aggrediscono le piante, liberano nei chicchi di mais delle aflatossine)
• Aspergillus niger

Claviceps:

• Calviceps purpurea (parassita dei cereali e forma degli scleroti, strutture nere formate da ife estremamente compatte)

Basidiomiceti: Possono essere saprofiti, parassiti o simbionti. I loro sporangi sono chiamati basidi e ciascun basidio contiene quattro spore. Le ife sono settate e organizzate in modo complesso. I corpi fruttiferi sono molto sviluppati ed evidenti. Ci può essere un micelio primario con ife aploidi e un micelio secondario con ife diploidi, si formerà in seguito un micelio terziario diploide che andrà a formare strutture macroscopiche. Le ife del micelio terziario, a seconda della loro posizione, assumono funzioni diverse: meccanica, protettiva, di conduzione.