Diversità Vegetale - 2015

Misurare la biodiversità degli organismi

Uno dei parametri per misurare la biodiversità degli organismi è riferirsi al numero di specie esistenti:

• Procarioti (batteri): si stima che siano circa 10.000 specie
• Eucarioti complessivamente: si stima che siano circa 1.600.000 specie, suddivise in 4 regni:
  • Funghi: circa 100.000 specie
  • Piante: circa 250.000 specie
  • Protisti: circa 250.000 specie
  • Animali: circa 1.000.000 di specie

Origine abiotica della vita

La Terra si è formata circa 4.600.000.000 di anni fa, nel cosiddetto periodo Precambriano; le sue condizioni iniziali prebiotiche erano decisamente inospitali e perciò era priva di vita. Tra le varie condizioni ambientali inadeguate, tra cui una superficie formata da magma incandescente e una temperatura di oltre 100°, spiccava il fatto che l’ambiente fosse completamente anossico, cioè privo di ossigeno; infatti l’atmosfera era formata da vari gas ma tra questi mancava l’ossigeno: CH₄, CO₂, NH₃, H₂, N₂, H₂O.

Dopo mezzo miliardo di anni, cioè 4 miliardi di anni fa, ci fu una graduale solidificazione del magma, che portò alla formazione della crosta terrestre e degli oceani primordiali. Tuttavia, l’ambiente era ancora inospitale poiché sottoposto a forti apporti di energia termica e meccanica, dovuti a un’intensa attività vulcanica (sia ipogea che apogea), alle radiazioni UV del sole non schermate, alle scariche elettriche dei fulmini, ai meteoriti e agli impatti interplanetari (collisioni con altri corpi celesti).

I gas atmosferici, molecole inorganiche formate da pochi atomi, erano presenti allo stato gassoso nell’atmosfera e disciolti nei mari; si pensa che queste molecole più semplici abbiano reagito tra loro unendosi e formando molecole più complesse tramite un apporto energetico, quindi tramite reazioni endoergoniche. Quindi queste molecole inorganiche portarono alla sintesi di molecole organiche:

• Aminoacidi
• Zuccheri semplici
• Nucleotidi

Nel 1950 Miller fece un esperimento per verificare l’origine abiotica della vita; simulò le condizioni prebiotiche della terra prendendo due alambicchi tra loro collegati, che corrispondevano agli oceani e all’atmosfera e che contenevano rispettivamente gas liquidi e gassosi. Successivamente l’alambicco della fase liquida è riscaldato e i gas si raccolgono nel secondo alambicco, in cui due elettrodi simulano l’apporto energetico. Periodicamente, dopo essere stati raffreddati, vengono prelevati da un rubinetto i prodotti di reazione da analizzare. Effettivamente nei prodotti si trovarono proprio quelle molecole organiche che risultano dalla sintesi di molecole inorganiche più semplici.

In una fase successiva (sempre in ambiente acquatico) ci fu un’ulteriore sintesi, per cui le molecole organiche semplici subirono un processo di polimerizzazione a formare lunghe catene di polimeri:

• Più aminoacidi formarono le proteine
• Più zuccheri semplici formano i carboidrati (zuccheri complessi)
• Più nucleotidi formarono gli acidi nucleici

Il passo successivo di questa ipotesi abiotica prevede la formazione di protocellule, cioè compartimenti limitati da uno strato ipoproteico e contenenti molecole autoreplicanti, primo esempio di cellule viventi. Conferme di questa teoria si sono trovate nei microfossili, cioè fossili di batteri o microrganismi (i più antichi risalgono a 3.500.000.000 di anni fa), che quindi furono le prime forme di vita a lasciare una testimonianza fossile. Questi primi batteri erano eterotrofi, cioè non producevano né usavano ossigeno.

Perché si arrivi a forme di vita che abbiamo a che fare con l’ossigeno bisogna aspettare mezzo miliardo di anni, poiché solo 3 miliardi di anni fa ci sono microfossili di batteri autotrofi detti cianobatteri, in grado di produrre molecole complesse (glucosio e ossigeno) a partire da anidride carbonica e acqua, cioè sono i primi batteri fotosintetici: energia + 6H₂O + 6CO₂ → C₆H₁₂O₆ + 6O₂.

Anche se il processo di diffusione dell’ossigeno fu lento, perché prima si accumulò negli oceani e poi pian piano si diffuse nell’atmosfera (in cui gli atomi di O₂ interagiscono formando ozono O₃), ciò rappresentò una catastrofe per gli organismi eterotrofi, abituatisi a vivere in un ambiente anossico. Perciò i batteri eterotrofi per la maggior parte si estinsero e solo pochi resistettero, trovando nicchie prive di ossigeno. Questo fu probabilmente il primo processo di selezione naturale, dovuto al cambiamento delle condizioni ambientali, da cui iniziarono a evolversi gli organismi aerobici.

Procarioti

Nell’ambito dei batteri (o procarioti), analizzando i caratteri che non riguardano l’ultrastruttura, si vede che coesistono gruppi molto eterogenei, che sono divisi in 2 gruppi principali:

1. Archeobatteri: vivono in ambienti estremi (sono alofili, cioè vivono in ambienti con alte concentrazioni saline; termofili, cioè in ambienti con temperature molto alte; metanofili)
2. Eubatteri: comprendono i cianobatteri e i prochlorophyta

Cianobatteri

Essi non hanno né organuli né compartimenti endocellulari, ma metabolicamente sono molto attivi e sopravvivono in condizioni estreme (es: batteri termofili); possono formare colonie filamentose o globose, che sono unite tramite un secreto mucillaginoso.

Fanno una fotosintesi ossigenica, così definita perché produce ossigeno, e le reazioni avvengono sulle invaginazioni del plasmalemma; riescono a fare questo tipo di fotosintesi perché possiedono la clorofilla a, che capta i fotoni, e ficobiline, che aiutano la clorofilla nel captare la luce che serve per la fotosintesi.

Inoltre i cianobatteri sono batteri ubiquitari, cioè si trovano in ambienti molto diversi tra loro:

• Ambiente acquatico, soprattutto in acque dolci
• Sulle rocce (possono essere epilitici o endofitici, cioè sopra la superficie della roccia o sotto)
• Nel suolo e nei deserti
• Nelle acque termali e nei ghiacci polari (condizioni estreme di temperatura)

Prochlorophyta

Come i cianobatteri, sono batteri autotrofi fotosintetici, che fanno fotosintesi con una modalità uguale a quella delle piante. Se ne conoscono pochi generi, tra questi:

• Prochloron: batteri simbionti con le ascidie tropicali (entrambi gli organismi traggono un reciproco vantaggio); sono intensamente verdi perché oltre alla clorofilla a hanno anche la clorofilla b
• Prochlothrix: colonie filamentose libere nell’acqua dolce, formate da cellule bastoncellari; per ora sono state trovate solo in alcuni laghi in Olanda e Svezia
• Prochlorococcus: intensamente verdi per la presenza della clorofilla b; sono cellule coccoidi (cioè tondeggianti), senza compartimenti endocellulari e perciò le reazioni avvengono sulle invaginazioni del plasmalemma; vivono negli oceani meno freddi

Eucarioti

I primi abitanti del pianeta furono i procarioti e in particolare i procarioti eterotrofi; in seguito arrivarono i procarioti autotrofi, in grado di produrre ossigeno e circa 2 miliardi e mezzo di anni fa comparvero le prime cellule eucarioti (eucarioti unicellulari), più grandi rispetto alle cellule batteriche (10-100µm contro 1-10µm) e con compartimentazione interna, perciò il materiale genico è racchiuso nel nucleo e anche gli organuli cellulari sono dotati di parete.

In seguito, circa 2 miliardi di anni fa, comparvero i primi eucarioti pluricellulari.

Anche per l’origine degli eucarioti esistono varie ipotesi, ma la più quotata è la teoria simbiotica, per cui sulla Terra, inizialmente abitata solo da batteri, ci furono interazioni tra batteri diversi, che portarono alla formazione dei primi eucarioti. Secondo questa teoria una cellula procariote ingloba batteri aerobi, che si trasformano formando i mitocondri (organuli semi-autonomi, perché grazie al fatto che presentano proprio DNA sintetizzano autonomamente molte proteine) e in seguito si formano altri organuli. Si possono così ottenere 2 tipi di cellule:

• Cellula eucariote animale: propria degli animali, dei funghi e di certi protisti
• Cellula eucariote vegetale: propria delle piante e di certi protisti, nel caso in cui vengano inglobati anche batteri fotosintetici, che evolvono poi in cloroplasti (anch’essi a vita semi-autonoma)

Un’altra differenza tra procarioti ed eucarioti si ha nei processi di riproduzione:

• Procarioti: essi comprendono batteri eterotrofi e cianobatteri, la cui sola forma di replicazione è la scissione binaria, in cui la cellula si ingrandisce, si forma una strozzatura mediana ed è replicato il DNA, che viene equamente diviso tra le 2 cellule figlie, che quindi sono geneticamente uguali tra loro e alla cellula madre. Perciò la scissione binaria implica una sorta di clonazione. Inoltre, hanno cellule più piccole degli eucarioti, prive di compartimentazioni interne e con DNA ad anello.
• Eucarioti: il loro genoma è più complesso di quello dei procarioti, poiché è legato agli istoni, e durante le duplicazioni si condensa a formare i cromosomi (le coppie uguale sono dette cromosomi omologhi e subiscono il crossing-over). Gli eucarioti hanno 2 modalità di divisione:
  • Mitosi: avviene una divisione che vede, a partire da una cellula iniziale, la produzione di 2 cellule figlie uguali tra loro e alla cellula madre, quindi geneticamente il processo è uguale alla scissione e anche qui si parla di clonazione, in quanto il DNA è replicato esattamente.
  • Meiosi: produce 4 cellule figlie con corredo cromosomico aploide, cioè dimezzato rispetto alla cellula di partenza; inoltre queste 4 cellule hanno corredo cromosomico diverso, perché durante la meiosi I avviene il crossing-over, cioè la ricombinazione genica.

Ciò che distingue gli eucarioti dai procarioti è il fatto che i primi fanno riproduzione sessuale, intesa come unione di cellule; inoltre, il fatto che ci sia gamia implica che in qualche stadio ci sia riduzione meiotica, per mantenere costante il numero di cromosomi.

Classificazione degli organismi

Poiché i protisti sono divisi in 2 gruppi, i viventi sono quindi suddivisi in 3 domini:

1. Archeobatteri
2. Eubatteri
3. Eucarioti: a loro volta sono suddivisi in 5 supergruppi in base a differenze molecolari:
   • Uniconti: comprendono i regni Funghi e Animali
   • Archeoplastidi: comprendono il regno Piante
   • Rizari
   • Cromoalveolati
   • Scavati

Protisti

Un tempo gli organismi viventi che non si collocavano esattamente in nessuno di questi 3 regni (Animali, Funghi, Piante) andavano a formare il Regno Protisti. I protisti sono organismi eucarioti distribuiti nei 5 supergruppi, principalmente acquatici (es: alghe, muffe), sia unicellulari che pluricellulari, che comprendono circa 250.000 specie. Probabilmente furono i primi eucarioti a comparire sulla Terra circa 2 miliardi di anni fa.

Questo regno eterogeneo è stato smembrato e si sono creati i 5 supergruppi, in base ad affinità molecolari.

Fauna di Ediacara

Si stabilisce che il Precambriano finì 600 milioni di anni fa (ha una durata così lunga perché è un tempo molto lontano, in cui è difficile ricostruire i cambiamenti), epoca in cui iniziò il Periodo Ediacarano (o Vendiano). In questo periodo nell’ambiente acquatico si formò la cosiddetta “Fauna di Ediacara”, formata da organismi eucarioti; tuttavia non si sa se questi organismi eucarioti fossero battezzabili con gli attuali nomi usati per i viventi, quindi potrebbe anche essere un ennesimo regno a sé stante, slegato da qualsiasi attuale vivente. Si pensa però che si sia estinta, cioè nessun organismo attuale si può ritenere un suo discendente, e per questo la Fauna di Ediacara è considerata una sorta di esperimento di vita fallito.

Era Paleozoica

Essa inizia con il Periodo Cambriano 542 milioni di anni fa, durante il quale si ebbe una seconda esplosione di vita detta “esplosione cambriana” (perciò l’evoluzione non fu progressiva), sempre in ambiente acquatico, che riguardò soprattutto i processi fisiologici dei viventi, cioè i loro metabolismi.

Vi era una grande variabilità morfologica; in particolare, i fossili ritrovati si collocano tra Spugne, Coralli, Anellidi, Molluschi e Artropodi. Erano però presenti anche alghe (ex-protisti) e funghi acquatici, che probabilmente erano i progenitori dei funghi attuali perché hanno alcune affinità che sono state mantenute nonostante l’evoluzione (intesa come processo che apporta cambiamenti, strettamente legato all’ambiente).

Potrebbero anche esserci state forme di vita terrestri, nel caso in cui qualche alga o fungo provarono ad adattarsi alla vita sub-aerea divenendo anfibie o vivendo in simbiosi (micorriza).

Funghi

Essi non sono piante e hanno un proprio regno perché possiedono determinate caratteristiche omogenee; sono organismi eterotrofi e comprendono circa 100.000 specie, tra cui organismi microscopici e macroscopici (che non sempre sono formati dal gambo e dal cappello).

I caratteri condivisi da tutti i funghi sono:

• Formati da filamenti ramificati di cellule, dette ife; l’insieme delle ife costituisce il micelio fungino, che si sviluppa nel terreno (anche per tratti molto lunghi). Quando le ife si intrecciano si forma il fungo macroscopico, anche detto corpo fruttifero
• Nutrizione per assorbimento, mediante enzimi digestivi secreti all’esterno dalle ife; grazie ad essi i funghi sono in grado di digerire sia la cellulosa che la lignina; sono quindi eterotrofi, cioè assumono sostanze organiche prodotte da altri organismi
• Chitina nella parete cellulare, che è impermeabile
• Lipidi e glicogeno come sostanze di riserva
• Possono essere simbionti (cooperazione tra 2 organismi; es: fungo-radici delle piante, questa simbiosi è detta micorriza e l’albero ne trae vantaggio perché le ife fungine aiutano le radici ad assorbire più acqua dal terreno), parassiti (il fungo si sviluppa su una pianta o su un animale vivo e si nutre a sue spese) o saprofiti (assumono le sostanze organiche da organismi morti; ad esempio se crescono sugli alberi morti assumono cellulosa e lignina)

I funghi più famosi appartengono ai basidiomiceti (es: champignon, porcini, galletti, mazza di tamburo), così detti perché in tutti è presente il basidio, cioè una cellula allungata con 4 cellule attaccate dette basidiospore, poiché contengono le spore per la diffusione delle ife. Questa particolare struttura...