Biologia Vegetale

Argomenti base e prerequisiti

La biologia vegetale, o botanica, comprende diversi campi di studio:

• Citologia: studio delle cellule
• Istologia: studio dei tessuti
• Anatomia: studio della disposizione dei tessuti negli organi
• Organografia: descrizione degli organi dall’esterno
• Fisiologia: studio degli aspetti funzionali
• Tipi di riproduzione
• Applicazioni biotecnologiche delle piante

Eucarioti e procarioti

Vediamo una divisione tra eucarioti e procarioti, evidenziando le caratteristiche più importanti:

Processo evolutivo degli organismi viventi

Analizziamo ora, invece, il processo evolutivo degli organismi viventi e, in particolare, delle piante:

• Protozoi
• Animali
• Funghi
• Alghe
• Piante
• Eucarioti con mitocondri e cloroplasti
• Eucarioti con mitocondri
• Primi eucarioti con nucleo
• Procarioti successivi

Prospetto generale sull'origine della vita

• 4,567 miliardi di anni fa: formazione della Terra
• 3,800 miliardi di anni fa: tracce dei primi fossili microscopici
• 3,600 miliardi di anni fa: origine della fotosintesi ossigenica
• 3,200 miliardi di anni fa: primi stromatoliti cianobatterici fossili
• 1,800 miliardi di anni fa: comparsa dei primi eucarioti con nucleo
• 1,400 miliardi di anni fa: prime alghe verdi coloniali
• 630 milioni di anni fa: comparsa dei primi animali pluricellulari
• 542 milioni di anni fa: sviluppo della maggior parte di funghi, animali e alghe
• 470 milioni di anni fa: comparsa delle prime piante terrestri (embriofite)
• 300 milioni di anni fa: tracce dei primi insetti alati
• 340 milioni di anni fa: prime piante legnose e a seme
• 23 milioni di anni fa: comparsa delle prime erbe
• 5 milioni di anni fa: origine dell'uomo moderno

Il passaggio dall'acqua alla terraferma delle piante fu un passo molto importante perché si passò da un ambiente con infinita disponibilità d'acqua a uno secco e ostile; questo portò a sempre più avanzati adattamenti evolutivi.

Categorie tassonomiche

Vediamo quindi un riassunto delle categorie tassonomiche, ovvero l'ordine di classificazione degli organismi vegetali; prendiamo come esempio una semplice patata:

• Dominio: Eukarya
• Regno: Plantae
• Divisione: Magnolipside
• Ordine: Solanales
• Famiglia: Solanaceae
• Genere: Solanum
• Specie: Solanum tuberosum

Si deve a Linneo la divisione delle categorie e la nomenclatura binaria, in cui si indica il genere con la lettera maiuscola e la specie con quella minuscola.

Storicamente, in botanica, si sono sempre considerati oggetto di studio anche i funghi, un gruppo di organismi non fotosintetici che, attualmente, sono classificati come un gruppo a sé. Possiamo comunque considerare oggetto di studio della botanica alcuni protisti, tra cui alghe verdi (particolarmente evolute e progenitrici delle plantae, le piante superiori) e anche alcuni funghi primitivi; alghe, cioè gli organismi vegetali, a volte molto complessi, senza un'organizzazione in radici, fusto e foglie; le piante superiori, o plantae, che possiedono radici, fusto e foglie. Tra i funghi possiamo trovare organismi unicellulari semplici molto importanti per la ricerca biotecnologica; importanti per questi studi sono anche dei tipi di clorofite.

Tutti gli organismi della botanica

Vediamo nel dettaglio gli organismi della botanica:

• Protisti: eucarioti unicellulari; possiedono un nucleo e degli organuli permanenti e producono gameti. Sono diversi dai procarioti (batteri), cellule più piccole e senza nucleo né organuli.
• Piante inferiori: o tallofite (da tallo = corpo e fite = piante); identifichiamo il tallo con ciò che non è cormo, cioè una struttura senza radici, fusto e foglie ma che può presentare pseudofoglie o pseudofusti. Questo tipo di piante è diviso in tre categorie, anche se non tutte proprie:
  • Alghe fotosintetiche, con diversi pigmenti; possono essere organismi coloniali in cui le cellule superficiali presentano flagelli e, quindi, con una primitiva suddivisione del lavoro, oppure veri e propri pluricellulari complessi.
  • Funghi, organismi unicellulari semplici, come le muffe, oppure molto complessi, come funghi con gambo e cappello. Se ne trovano di semplici anche dove c'è un sincizio (fusione di due o più cellule fra loro a formare una cellula plurinuclata).
  • Licheni, organismi formati dalla simbiosi di alghe e funghi, di solito con accrescimenti ridotti.
• Briofite: sono un gruppo di transizione perché hanno aspetto sia di tallofite che di cormofite. Anche questa categoria può essere suddivisa in due sottogruppi:
  • Muschi, piante molto piccole con foglie piccolissime e uno sporangio, che produce spore; vivono in ambiente molto umido.
  • Epatiche, hanno una struttura più complessa delle alghe perché sono organizzate in tessuti.
• Piante superiori: dette anche cormofite (cormo = radici, fusto, foglie), tracheofite (perché hanno trachee che costituiscono l'apparato conduttore e portano acqua dalle radici alle foglie; si sono evolute nelle ere geologiche quando le piante hanno conquistato l'ambiente terrestre), o embriofite (tutte le piante hanno una riproduzione sessuata e producono gameti maschili e femminili, che si sviluppano nell'embrione; quello delle piante superiori, però, è protetto da strutture specializzate, i fiori). Anche queste possono essere classificate in due diverse categorie:
  • Pteridofite o crittogame vascolari, ad esempio le felci, non hanno fiori di nessun tipo. Anticamente, esistevano anche alberi di questo tipo che si erano sviluppati grazie alla ricchezza di umidità in quanto il loro sistema vascolare era poco efficiente. Con il periodo carbonifero e climi sempre più secchi, però, si sono estinti.
  • Spermatofite, che si sono molto sviluppate in ambiente terrestre grazie ad un sistema di conduzione efficiente e all'impermeabilizzazione delle foglie (grazie ad una membrana e agli stomi, per non disperdere acqua). Hanno evoluto la struttura del seme, un contenitore dell'embrione avvolto da sostanze nutritive disidratate, così che si conservino a lungo, e protetto da tegumenti esterni. Quando gli si ridà acqua, l'embrione riprende le attività metaboliche e germina, se le condizioni climatiche sono favorevoli, altrimenti continuano ad aspettare. Le spermatofite, a loro volta, possono essere divise in due ulteriori categorie:
    • Gimnosperme: ad esempio le conifere, non hanno fiori manifesti ma producono coni, strutture che contengono e proteggono i semi.
    • Angiosperme: hanno fiori manifesti con petali ben colorati (il fiore è uno dei principali elementi di classificazione delle piante). Queste si dividono ancora in due sottogruppi:
      • Dicotiledoni: presentano una radice principale collegata a molte radici laterali più piccole e, tra queste, troviamo alberi, cespugli, rampicanti e piante erbacee. L'embrione all'interno del seme presenta due sporgenze, dette cotiledoni (da qui il nome di = due cotiledoni), circondati da tessuti di riserva e tegumento. Il fiore di queste piante presenta 4 o 5 parti (sepali, petali modificati del calice, e petali veri e propri). Le foglie possiedono il picciolo e le nervature, che costituiscono le estremità dell'apparato conduttore, sono retinervie, formano cioè una rete. Quando il seme germina, i cotiledoni fuoriescono e possono cedere le loro sostanze nutritizie, morendo, oppure possono costituire le prime due foglie della pianta.
      • Monocotiledoni: presentano un apparato radicale con molte radici dello stesso calibro e appartengono a questo gruppo quasi esclusivamente piante erbacee (e palme). Sono considerate più evolute perché sprecano meno energia, essendo più piccole, per arrivare alla forma finale e, quindi, riprodursi. Il seme presenta un solo cotiledone che connette l'embrione con i tessuti di riserva (prevalentemente amido). Il fiore presenta solo 3 parti o molte più di tre. Nelle foglie, solitamente lunghe e sempre senza picciolo, le nervature sono parallele tra loro.

Caratteristiche delle piante

Facciamo un confronto tra piante ed animali:

Piante

• Autotrofe; sono fotosintetiche, ovvero catturano la CO₂ dell'atmosfera e gli ioni inorganici che sono in soluzione nell'acqua del terreno e, grazie all'energia solare, li trasformano in materia organica. Questo procedimento è tipico di tutte le piante, ma quantitativamente sono le alghe acquatiche che producono più materia organica e ossigeno; queste però non possono trovarsi nelle profondità marine perché qui la luce non arriva, dunque stanno in superficie
• Produttrici, soprattutto di glucosio, proteine, amminoacidi e vitamine
• Crescita illimitata delle dimensioni corporee
• Forma aperta, ovvero ha un'ampia superficie rivolta verso l'ambiente per poter scambiare sostanze
• Buona capacità rigenerativa
• Immobili, in particolare le piante superiori, anche se alcune (soprattutto tra quelle inferiori) hanno capacità di movimento

Animali

• Eterotrofi
• Consumatori
• Crescita limitata delle dimensioni corporee
• Forma chiusa, ovvero gli organi sono all'interno del corpo perché scambiano poche sostanze con l'ambiente
• Scarsa capacità rigenerativa, soprattutto negli animali superiori, fa eccezione qualche animale inferiore
• Mobili

Interazioni tra piante ed ambiente

Le piante catturano la CO₂ dall'atmosfera per trasformarla in glucosio e, in questo modo, ne controllano il livello di concentrazione, da cui dipende anche la temperatura terrestre: più la concentrazione è alta, più la temperatura cresce. Per contro, la fotosintesi libera nell'aria O₂, che poi viene utilizzata da tutti gli organismi eterotrofi. Inoltre l'O₂, quando nell'alta atmosfera viene colpito dai raggi ultravioletti, si trasforma in O₃, ozono, che ci protegge dalle radiazioni UV.

Le piante, inoltre, assorbono acqua dal terreno, regolando l'umidità del terreno e il livello delle falde acquee, e la emettono sotto forma di vapore acqueo in un processo detto traspirazione; questa aumenta l'umidità dell'aria e provoca le precipitazioni, rinnovando continuamente il ciclo dell'acqua.

L'energia che utilizziamo quotidianamente è ricavata dal carbone e dai depositi fossili, che derivano da antiche piante ora estinte che, attraverso la fotosintesi, hanno accumulato sostanze organiche. In questo modo, trasformiamo i fossili in energia elettrica e termica e restituiamo all'atmosfera CO₂ e H₂O, compromettendone l'equilibrio.

Citologia della cellula vegetale

Vediamo le varie componenti della cellula vegetale:

• Parete cellulare: è una formazione che circonda la cellula ed è a contatto con le pareti delle cellule adiacenti. È una parete abbastanza rigida, che dà forma alla cellula ma che non ne impedisce gli scambi: è, quindi, permeabile grazie ai plasmodesmi, canali in cui il citoplasma di una cellula è in contatto con quello della cellula adiacente
• Membrana plasmatica: struttura molto sottile ma molto importante, perché delimita all'interno della parete tutto il citoplasma
• Nucleo: delimitato da una doppia membrana esterna (nucleare), contiene l'informazione genetica; all'interno di esso si trova una parte di citoplasma amorfo e strutture definite ed è abbastanza simile a quello delle cellule animali
• Reticolo endoplasmatico: insieme di membrane variamente organizzate: una parte di esse costituisce il reticolo endoplasmatico liscio (REL) e l'altra quello rugoso (RER), su cui si trovano i ribosomi. È associato al nucleo e controlla la produzione di proteine e lipidi e non è rigido, anzi possiede una notevole dinamicità
• Apparato di Golgi: è un sistema di membrane la cui funzione è la stessa che nelle cellule animali
• Centrosoma: indispensabile nella mitosi, che è diversa tra cellule animali e vegetali
• Mitocondrio: sede della respirazione cellulare, è tipico di piante ed animali
• Citoscheletro: formato da microtubuli, microfilamenti e filamenti intermedi
• Vacuolo: o tonoplasto, è un organulo di dimensioni variabili che può essere unico o frazionato in parti. Delimitato da una membrana, contiene sostanze di scambio con il citoplasma della cellula. In alcuni casi può occupare quasi tutto il volume della cellula, per cui il citoplasma ci appare come un sottile strato sotto la membrana
• Plastidio: organelli con funzioni legate alla fotosintesi che si trovano nella cellula in numero variabile; ad esempio nei cloroplasti, un tipo di plastidio, avviene la fotosintesi delle piante verdi
• Perossisoma: organello con funzioni specifiche

Di questi organuli, sono tipici e caratteristici della cellula vegetale la parete, i plastidi, il vacuolo e i perossisomi; gli altri sono comuni anche alle cellule animali.

Al microscopio, il citoplasma della cellula vegetale appare frazionato, perché il vacuolo occupa tutte le parti vuote. Inoltre, bisogna ricordare che, quando si osserva una cellula al microscopio, la si seziona, quindi non si vedranno tutte le sue componenti ma solo quelle comprese nella sezione di taglio. Per questo, bisogna ricostruire mentalmente la situazione tridimensionale.

Sebbene la parete cellulare sia tipica delle cellule vegetali, la membrana è identica a quella delle cellule animali, formata da un doppio strato fosfolipidico più o meno fluido in cui sono inserite proteine mobili.

La porzione di citoplasma della cellula vegetale è in movimento, regolato dai filamenti di actina che provocano lo spostamento degli organuli. Anche i cloroplasti, che hanno un diametro nell'ordine di 2-10 micron, sono trascinati dalle correnti citoplasmatiche così che si trovino sempre nella posizione ideale per catturare l'energia luminosa (non deve essere né troppa né troppo poca). Questo movimento citoplasmatico viene denominato con il termine ciclolisi.

Per quanto riguarda i collegamenti delle cellule vegetali con l'esterno, sono gli stomi a consentire lo scambio di materiali. Essi sono composti da due cellule adiacenti, dette cellule di guardia, che lasciano tra loro un'apertura regolata. Gli stomi sono necessari per introdurre CO₂ nelle cellule ed emettere O₂ e vapore acqueo nell'atmosfera. Le cellule di guardia sono quasi le uniche a contenere cloroplasti per la fotosintesi, fatta eccezione per alcune cellule epidermiche. Gli stomi, comunque, non sono sincroni, ma la loro apertura è regolata dalla differente concentrazione di anidride carbonica e ossigeno nella foglia.

I plastidi

I plastidi sono organuli circondati da una doppia membrana, ma hanno dimensioni variabili e funzioni differenti e il loro contenuto dipende dal tipo di plastidio. Vediamo le varie tipologie:

• Proplastidi: sono plastidi piccoli e indifferenziati che contengono una sostanza amorfa e, a volte, poche membrane
• Cloroplasti: svolgono la fotosintesi clorofilliana
• Cromoplasti: hanno una colorazione che va dal giallo al rosso, per cui li troviamo in fiori e frutti, e contengono grandi quantità di pigmenti lipidici
• Amiloplasti: sono plastidi adibiti all'accumulo di amido secondario proveniente dai cloroplasti, che accumulano a loro volta il glucosio sotto forma di amido primario; possono anche essere considerati come un sottogruppo dei leucoplasti, cioè plastidi incolori
• Ezioplasti: sono uno stadio particolare della trasformazione dei proplastidi. Infatti, se questa avviene in presenza di luce, i proplastidi si differenziano in cloroplasti, se invece l'energia luminosa non arriva i proplastidi si fermano allo stato di ezioplasti. In presenza di luce, comunque, gli ezioplasti possono continuare la loro trasformazione in cloroplasti

I plastidi sono quasi tutti convertibili l'uno nell'altro: ad esempio, il pomodoro acerbo è verde, quindi possiede cloroplasti che, con la maturazione, si trasformano in cromoplasti, i quali daranno al pomodoro la tipica colorazione rossa.

I proplastidi, che a volte hanno una forma ameboide, sono in grado di inglobare pezzi di citoplasma per accrescersi. In una prima fase, infatti, possono maturare in plastidi detti pregranali, al cui interno si accumulano membrane. In seguito, come abbiamo visto, possono svilupparsi in ezioplasti o cloroplasti.