Botanica generale (+ laboratorio)

Che cos'è la botanica?

La botanica è la scienza che studia gli organismi vegetali. Si potrebbe dire che lo studio dei vegetali sia iniziato già nella preistoria, quando i primi gruppi di umani hanno iniziato a identificare e distinguere le piante commestibili da quelle velenose. In seguito, con la Mezzaluna Fertile si celebra la nascita delle prime società sedentarie e l’inizio dell’agricoltura.

Storia della botanica

Ai tempi dei greci, con Aristotele e il suo allievo Teofrasto, è realmente nata la botanica:

• Teofrasto che per primo coniò alcuni dei nomi che tutt’ora sono usati (come per esempio quello che identifica il genere asparagi). Catalogò e distinse diverse specie di piante annuali, biennali o perenni, e pose le basi per i primi studi sull’anatomia e fisiologia delle piante.
• Aristotele studiava le piante come animali senza zampe.

Nel medioevo, le piante venivano studiate principalmente per le loro applicazioni mediche, ed è proprio al finire del medioevo che risalgono i primi erbari, in cui le specie vegetali venivano raffigurate con la descrizione delle relative capacità medicinali.

• Fu Linneo, nel XVIII secolo, a ideare finalmente il sistema di nomenclatura binomiale che diede origine alla tassonomia ed è utilizzato ancora oggi.
• Lo stesso Darwin ha studiato a fondo le piante, soffermandosi su alcune particolarità come le soluzioni adottate da piante carnivore e orchidee, e la capacità di movimento dei rampicanti.
• Nel XVII secolo, Robert Hooke capii che l’organismo è fatto di cellule, studiando il sughero con rudimentali microscopi osservò diverse regolari cellette che componevano il sughero. Solo nell’800, con Theodor Schwan e Matthias Schleiden, si venne a conoscenza della "teoria cellulare".
• Nel 1774, invece, Priestley, senza ancora sapere cosa fosse la fotosintesi, scoprì che le piante erano in grado di permettere la vita producendo ossigeno, grazie al famoso esperimento con la candela sotto a una campana di vetro (poi riprodotto con successo anche con piccoli animali come i topi).

Perché le piante sono così studiate e importanti?

Le piante sono importantissime per l’uomo, soprattutto per l’agricoltura, ma il loro ruolo è fondamentale anche dal punto di vista ambientale. Arricchiscono l’atmosfera di ossigeno e assorbono anidride carbonica con la fotosintesi, contribuendo così allo strato d’ozono che filtra le radiazioni UV (che sono mutagene per il DNA). Inoltre, contribuiscono a mitigare il clima con la traspirazione di vapore acqueo, influendo anche sulla piovosità. Sono quindi in grado di mitigare gli effetti del cambiamento climatico. Ad esse dobbiamo le fonti energetiche da residui fossili come il petrolio, il carbone e il gas naturale, ma dalle piante si possono ottenere anche fonti di energia rinnovabile, ad esempio le biomasse. Le molecole prodotte dalle piante possono essere usate in medicina e sono state l’unica fonte di principi attivi fino a pochi secoli fa.

Caratteristiche delle piante

Le piante sono gli organismi dai quali dipende la vita di tutti gli altri esseri viventi. Importantissimi per la produzione di ossigeno, ma anche perché sono gli unici in grado di produrre la sostanza organica di cui si nutrono tutti gli altri viventi. Le prime differenze che si notano tra vegetali e animali sono la limitata mobilità, la decentralizzazione dei sistemi, l’equilibrio omeostatico e l’autotrofia.

• La mobilità delle piante non è nulla, ma chiaramente è minima, e limitata a fenomeni come la radicazione e il fototropismo (tendenza a muoversi alla ricerca della luce).
• La crescita dei vegetali è indefinita, una pianta continua a crescere senza mai fermarsi, a patto che le condizioni ambientali lo permettano, fino al termine del suo ciclo vitale.
• A differenza del sistema nervoso ed endocrino centralizzato degli animali, nelle piante la produzione ormonale è decentralizzata quindi non esiste un organo specializzato, ma ogni parte della pianta produce in loco le sostanze di cui ha bisogno.
• L’omeostasi nelle piante è relativa. Quando un animale viene esposto a temperature fredde, cambia il proprio metabolismo molto velocemente per mantenere la temperatura costante. Una pianta esposta al freddo è in grado di aumentare il contenuto zuccherino dei tessuti e resistere un po’ di più al freddo, ma in modo molto limitato.
• L’autotrofia è la capacità di sintetizzare sostanze organiche a partire da sostanze inorganiche grazie a una fonte di energia (fotoautotrofi o chemio autotrofi).

Tipi di autotrofia

• Fotoautotrofi sfruttano l’energia luminosa (piante, alcune alghe verdi e qualche batterio).
• Chemo autotrofi invece non utilizzano la luce, ma molecole chimiche (alcuni batteri e archea molto primitivi).

Tipi di eterotrofia

L’eterotrofia è la capacità di sintetizzare sostanze organiche a partire da altre sostanze organiche. È il meccanismo usato da tutti gli altri organismi viventi:

• Fagociti: organismi che si nutrono per ingestione.
• Parassitismo: organismi che assumono il nutrimento sotto forma di sostanza organica da altri organismi viventi danneggiandoli (batteri, funghi, alcuni animali e anche alcune piante). La cuscuta, ad esempio, che è gialla e non verde perché non effettua la fotosintesi, ha radici aeree che si attaccano ad altre piante alle quali sottrae nutrimento (vettore di malattie).
• Saprotrofi: sono quegli organismi che si nutrono di sostanze organiche prodotte da altri organismi morti. Non creano danno ma sono importantissimi per il riciclo della sostanza organica (soprattutto batteri e funghi). Questi organismi sono in grado di demolirle ed impediscono a questi scarti trasformandoli in minerali nuovamente utilizzati dalle piante.
• Simbiosi mutualistica: è praticata da organismi che vivono assieme senza danneggiarsi, ma portandosi vantaggio reciproco (i licheni sono simbiosi tra alghe e funghi, le micorrize lo sono tra radici di piante e funghi ed esistono batteri simbionti, rizobi, che vivono nelle radici di alcune piante leguminose).
• Piante insettivore: sono in grado di produrre “trappole” con cui catturano insetti e tramite enzimi ne degradano i tessuti assorbendo nutrimento.

La comparsa della vita sulla Terra

Circa 13 miliardi di anni fa ci fu il Big Bang, secondo gli scienziati l’origine dell’universo, da esso si originò prima il sole dalla nebulosa solare e poi la Terra (4,6 miliardi di anni fa). Il nostro pianeta era un ambiente, superficie incandescente e bombardata da un’infinità di asteroidi (proprio all’interno di essi avverava la vita o perlomeno l’acqua, sotto forma di piccole goccioline, ciò ha dato origine agli oceani). Grazie all’acqua, dopo più di un miliardo dalla formazione della Terra ci fu la comparsa delle prime forme di vita. Ricorda per la vita serve sostanza organica (esperimento di Miller); tutto ha origine dalle cellule primordiali (cianobatteri), che sono delle molecole che costituiscono membrane fosfolipidiche (testa affine all’acqua e la coda lipidica). Queste piccole cellule erano organismi semplici una sola cellula senza nucleo definito, si nutrivano sintetizzando le sostanze organiche presenti nell’oceano e vivevano di conseguenza. Non vi era lo strato di ozono, ma non all’interno di esso poiché la Terra era povera di O₃, era un problema poiché ebbero successo perché erano avvolti da uno strato di mucillagine che li proteggeva dai raggi UV.

Cianobatteri hanno avuto successo perché erano avvolti da uno strato di mucillagine che li proteggeva dai raggi UV, e perché hanno mosso i primi passi protetti dall'ambiente subacqueo. Sono anche di forte interesse biotecnologico perché producono diverse sostanze, di cui la maggior parte tossine, che potrebbero essere in parte sfruttate dall’uomo nella lotta a patologie delle piante.

Cellula procariote ed eucariote

Cellula procariote: cellule semplici con parete cellulare che può invaginarsi fino a dividere in due la cellula originaria. Non sono presenti cloroplasti, ma sono presenti delle strutture fibrose che riescono ugualmente ad effettuare la fotosintesi.

Cellula eucariote: cellula complessa con un nucleo differenziato dai singoli organuli, nel corso del tempo si sono formate da due simbiosi indipendenti in particolare grazie all’endosimbiosi, simbiosi tra un cianobatterio e altre cellule, si sono formati i mitocondri e i plastidi. In particolare una cellula procariota potrebbe aver inglobato altre cellule procariotiche più piccole, che sarebbero andate a formare i primi organuli separati all'interno di queste cellule semplici. Tra i primi organuli a formarsi ci furono sicuramente i mitocondri, ma anche i plastidi.

In seguito, queste cellule eucariote hanno iniziato ad aggregarsi formando organismi sempre più complessi, e pian piano hanno cominciato a colonizzare la terraferma. Questo passaggio è stato molto difficile e importante: nell'acqua tutto è a disposizione, e l’ambiente esterno è soggetto a variazioni minime, mentre per diffondersi nel mondo emerso è stato necessario formare strutture specializzate per assorbire l’acqua e trasportarla nelle varie parti dell’organismo e per effettuare la fotosintesi. Hanno così dovuto raggiungere il livello di specializzazione che caratterizza attualmente le piante superiori. 0,45 miliardi di anni fa gli organismi si spostano dall’acqua alla terraferma, successivamente ci fu una competizione tra le piante sulla terraferma.

Evoluzione e classificazione

L'evoluzione è l'accumulo di mutazioni genetiche in una popolazione. Una specie è un gruppo di organismi simili capaci di dare origine a una progenie fertile; quando differenti popolazioni di una stessa specie perdono la capacità di incrociarsi tra di loro in seguito all'accumulo di troppe mutazioni nasce una nuova specie, questo processo viene chiamato macroevoluzione. Gli adattamenti a breve termine, invece, sono definiti microevoluzione.

Il mutare individuato da Darwin che dà origine a specie diverse è stato definito selezione naturale, cioè, attraverso la lotta per la sopravvivenza vengono selezionati gli individui più adatti a proliferare in un determinato ambiente. La grande differenza di caratteri estetici in esemplari diversi della stessa specie è dovuta alle mutazioni alla ricombinazione genetica che si ha con la riproduzione sessuale. All’origine della vita i procarioti erano talmente semplici da non avere riproduzione sessuale, ma si moltiplicavano per divisione cellulare, quindi l’unica fonte di variabilità genetica erano le mutazioni (all’epoca agevolate dall’assenza dello strato di ozono). L’idea della selezione naturale è nata proprio quando Darwin era alle Galapagos. Notando le differenze nei becchi dei fringuelli, a seconda di quale fosse la loro fonte di nutrimento intuì le motivazioni che portano al differenziarsi delle specie. Oggi la teoria dell’evoluzione è ancora valida, anche se è stata perfezionata col neodarwinismo; secondo questa linea di pensiero, la selezione è dovuta non solo alla selezione dei più adatti, ma anche dalla cosiddetta deriva genetica.

Glossario

Evoluzione: accumulo di cambiamenti genetici della popolazione, notevoli cambiamenti ma anche mutazioni che portano alla formazione di una nuova specie.

• Macroevoluzione: piccola variazione di carattere
• Microevoluzione: tanti caratteri cambiano, tanto da creare una nuova specie.

Popolazione: insieme di individui simili che condividono lo stesso territorio.

Specie biologica: gruppo di organismi capaci di accoppiarsi dando origine ad una prole fertile, in grado di mandare avanti la specie.

Classificazione

• La sistematica decide i criteri su come classificare gli organismi viventi. Questi criteri sono cambiati nel tempo: una volta erano basati sulla morfologia degli organismi (forma e dimensioni), nel tempo si è compreso che questi criteri non erano molto precisi, perché arbitrariamente stabiliti da noi, quindi si è in seguito passati a criteri biochimici (singole molecole che compongono i singoli organismi). Oggi invece i criteri sono basati su caratteri essenzialmente genetici e molecolari.
• La tassonomia invece è il modo di classificare gli organismi in base ai criteri stabiliti sulla sistematica. Se cambia la sistematica, cambia anche la classificazione dei viventi (confrontando i libri contemporanei con quelli di un po’ di anni fa si trova una classificazione molto diversa) la classificazione dei funghi è stata recentemente completamente stravolta.

Il nome dell’organismo dipende da vari gruppi che in base alla tassonomia abbiamo:

• Dominio
• Regno
• Phylum
• Classe
• Ordine
• Famiglia
• Genere: un gruppo di specie simili con numerose affinità.
• Il taxon di base è la specie: organismi della stessa specie possono essere suddivisi in sottospecie, cultivar, varietà (ranghi inferiori utilizzati dall'uomo per stabilire alcune differenze). La specie viene indicata con un binomio (secondo il sistema creato da Linneo). Il primo nome identifica il genere, il secondo è l’epiteto specifico (es. Triticum aestivum). Per indicare una specie bisogna scrivere il nome del genere con la lettera maiuscola e l’epiteto specifico sempre con la minuscola. Entrambi vanno scritti in corsivo.

Il primo criterio di classificazione si fa tra i due domini, procarioti ed eucarioti, che hanno una struttura cellulare completamente diversa. Al di sotto ci sono i sette regni.

Procarioti ed eucarioti

• Procarioti:
  • Bacteri
  • Archea
• Eucarioti:
  • Animali
  • Protista
  • Fungi
  • Cromista
  • Piante

Tra i procarioti, l’archea si differenziano dai batteri per alcune particolarità cellulari, ma soprattutto perché sono presenti in ambienti estremi che sarebbero letali per qualsiasi altro tipo di organismo. Per questo si suppone che siano stati i primissimi organismi a svilupparsi agli albori della vita. I protisti fanno parte degli eucarioti. Si muovono tramite flagelli o movimenti ameboidi. Sono per lo più eterotrofi e si nutrono inglobando all'interno della loro struttura cellulare il nutrimento. In questo gruppo vi sono anche organismi eterotrofi come Euglena viridi, che, se esposto alla luce riesce a sviluppare la fotosintesi, mentre quando è al buio è un grado di nutrirsi per fagocitosi.

Le alghe (non sono un gruppo tassonomico a sé stante) sono organismi semplici che vivono in ambiente acquatico in grado di svolgere la fotosintesi contenendo clorofilla, possono essere unicellulari, pluricellulari (tallo) o coloniali. Si riproducono per spore o gameti.

I funghi sono fondamentali in vari settori come la patologia vegetale, la microbiologia, sono di interesse medico (penicillina) e ovviamente sono largamente usati in campo alimentare. Possono presentarsi come funghi microscopici (muffe) oppure con forme grandi e strutturate (porcini, ovuli).

I licheni sono una struttura molto complessa, che non è né un’alga né un fungo, ma sono formati da due organismi in simbiosi mutualistica tra esemplari di questi due gruppi. Il fungo aiuta l’alga nella nutrizione minerale, e l’alga ricambia con gli zuccheri che produce con la fotosintesi. Sono molto importanti perché possono produrre antibiotici, possono essere utilizzati come coloranti, ma soprattutto sono degli importanti bioindicatori di inquinamento ambientale. Grazie alla loro struttura particolare possono vivere centinaia di anni, essendo resistenti alle varie condizioni climatiche, ma sono sensibili all’inquinamento. Possono quindi essere il metro per calcolare l’eventuale aumento di inquinamento in una determinata zona.

Tassonomia delle piante

Tutte le piante sono organismi eucarioti fotoautotrofi e sono divise a loro volta in vari taxa di ordine inferiore:

• Spermatofite: piante superiori munite di radici, fusto, foglie. Il nome deriva dal fatto che sono piante munite di seme. All’interno delle spermatofite troviamo due grandi taxa: gimnosperme e angiosperme. Le prime hanno il seme nudo, non protetto da un frutto. Le seconde sono piante a fiore che nella maturità avranno semi protetti dai frutti. Fra le gimnosperme il gruppo di importanza maggiore è quello delle conifere (pini, abeti, cipressi, larici, sequoie). Le angiosperme sono divise a loro volta in dicotiledoni (seme con due cotiledoni, foglia retinervia, radice principale e secondarie, fiori a multipli di 4-5, struttura del fusto eustelica, polline) e monocotiledoni (foglie parallelinervie, apparato radicale fascicolato, fiori a multipli di 3).
• Briofite: piante erbacee molto semplici (muschi, epatiche e antoceri), non hanno una struttura complessa ben distinguibile come le spermatofite, vengono per questo definite tallofite (tallo si usa nonostante non abbia più valore tassonomico e identifica tutti gli organismi pluricellulari con un'organizzazione molto semplice), sono più simili ai funghi come struttura, non si distinguono organi né veri e propri tessuti specializzati. Sono state probabilmente le prime piante a colonizzare l'ambiente terrestre.
• Pteridofite: sono rappresentate dalle felci, piante a cormo, ma comunque più semplici delle piante superiori. Si riproducono per spore non hanno ancora i semi. Le felci hanno foglie specializzate sulla cui faccia inferiore si possono vedere puntini neri che sono gruppi di spore.

Teoria cellulare

La cellula è l'unità minima compatibile con la vita. Il significato e il ruolo della cellula sono stati scoperti da Schwan e Schleiden che capirono che tutti gli organismi sono composti da cellule e risultanti della loro attività. Questa teoria nonostante l'età è ancora valida. Lo sviluppo di una struttura pluricellulare negli organismi è spiegabile guardando al concetto di superficie relativa, cioè la superficie esterna di un corpo rispetto al suo volume. Più essa è alta più la superficie di scambio con l’ambiente esterno è grande. L’aumento di superficie relativa si ritrova a...