Produzioni vegetali - riassunto completo

Produzioni vegetali

Origine della vita, caratteristiche dei viventi, proprietà della vita, autotrofismo ed eterotrofismo

Caratteristiche dei viventi: un organismo vivente è sempre organizzato, è capace di trasformare informazioni, di riprodursi e di evolversi. Un organismo vivente mantiene le sue condizioni interne costanti e anche in caso di incapacità di accrescimento, riproduzione ecc. mantiene le sue capacità potenziali. Trasforma energia e materia. Per la legge dell’entropia, ossia che in un qualsiasi sistema di riferimento in cui non viene messa abbastanza energia, questo tenderà al caos o comunque alla situazione più probabile in natura. Nel caso di un essere vivente: se viene a mancare l’energia, questo morirà e si decomporrà.

• Elevata complessità di organizzazione strutturale
• Sensibilità: tutti gli organismi rispondono agli stimoli
• Capacità di muoversi
• Capacità crescere (aumentare le dimensioni), svilupparsi (modificarsi morfologicamente), riprodursi (molecole dell’eredità trasmesse alla progenie)
• Adattamento evolutivo
• Organizzazione fisiologica o funzionale: le cellule contengono informazioni ereditarie scritte in un linguaggio genetico universale e svolgono determinate mansioni in un organismo complesso

Una cellula è l’unità più piccola avente tutte le caratteristiche degli organismi viventi.

Regni: albero filogenetico degli organismi viventi

Eubatteri e archeobatteri sono procarioti: ambiente interno acquoso e senza compartimenti subcellulari. Eucarioti: cellule, membrane, miscela acquosa e soluti più organelli delimitati da membrana che svolgono determinate azioni. Alcuni organelli (mitocondri e cloroplasti), secondo la teoria endosimbiotica, erano originariamente dei batteri autotrofi, che sono stati fagocitati e che sono rimaste integrate.

Funghi: caratteristiche intermedie; ossia un’alimentazione eterotrofa, mancanza di tessuti differenti e di elementi conduttori, riproduzione attraverso spore, parete cellulare costituita da b-glicani non cellulosici e chitina (presente anche nell’esoscheletro degli artropodi). Accumulano sotto forma di riserva il glicogeno, a differenza delle piante che utilizzano l’amido. I funghi commestibili (tartufi) hanno il 2% di proteina con la micosina che non è digeribile; il 5% carboidrati; molti minerali K e vitamine del gruppo E, B, C (4mg/100g). Attenzione al contenuto di metalli pesanti o inquinanti come il Cs. Alcune tossine bloccano i meccanismi di sintesi del DNA e la cottura, l’essiccamento, il congelamento non sono metodi sicuri per la neutralizzazione di queste tossine, che possono essere anche neurotossiche. L’assunzione di funghi nei bambini al di sotto degli 8 anni, nelle donne in gravidanza e durante l’allattamento dovrebbe essere evitata.

Lieviti: importanti per i processi produttivi come la panificazione o la vinificazione. Integrano vitamine.

Origine della vita: ipotesi di Oparin-Haldane

4,5 miliardi di anni fa l’atmosfera era carica di gas vulcanici: N₂, CO₂, H₂, CH₄, NH₃, H₂S. L’energia liberata dai fulmini, le radiazioni e il calore intenso cominciarono a rompere le molecole semplici, formandone di nuove e più complesse (complessi organici), che precipitavano con le piogge, aggregandosi e formando polimeri prima e poi coacervati, sede di reazioni metaboliche (formare enzimi, facendo nascere il metabolismo).

3,8 miliardi di anni fa si originano i primi aggregati molecolari, ovvero molecole depositarie di informazione genetica, apparato macromolecolare per il metabolismo energetico (fotosintetici). I microrganismi fotoautotrofi cominciano a riversare ossigeno nell’atmosfera e a organicanizzare il C. 2 miliardi di anni fa comincia ad aumentare, oltre all’O₂ anche l’O₃ che comincia a passare in atmosfera nel momento in cui l’oceano se ne satura. Compare il metabolismo aerobio 20 volte più efficiente nel recupero di energia del metabolismo fermentativo. 1,5 miliardi di anni fa si creano i primi organismi eucarioti. 800 milioni di anni fa le piante, sfruttando le condizioni della terra emersa migliori grazie all’ossigeno e allo strato di ozono formatosi, conquistano la terraferma.

Teoria cellulare

• Tutte le cellule derivano da altre preesistenti (Rudolf Virchow, 1858)
• Tutti gli organismi sono composti da cellule (Theodor Schwann, 1839)
• Le cellule sono caratterizzate sia da enorme somiglianza (contengono DNA, RNA) sia allo stesso tempo da enorme diversità

Flusso di materia e flusso di energia nei viventi: metabolismo

Un vivente degrada gli alimenti per usarli come materia prima nelle reazioni di sintesi (strutture e materiali necessari) oppure per usarli come carburante, attraverso la glicolisi e la più efficiente respirazione cellulare, liberando energia. Questa energia verrà utilizzata per le reazioni di sintesi (in combinazioni con i nutrienti) oppure per svolgere altre attività (omeostasi, movimentazione di materiali dentro e fuori la cellula, accrescimento e sviluppo, riproduzione).

Il flusso di energia attraverso gli ecosistemi: livelli trofici

La maggior parte dell’energia acquisita da un livello trofico è rilasciata nell’ambiente sotto forma di calore ed è quindi non più disponibile per il livello successivo.

Autotrofismo ed eterotrofismo

Autotrofi: detti anche produttori, trasformano la sostanza inorganica (CO₂, H₂O, sali minerali riforniti dal terreno) in sostanza organica (glucosio C₆H₁₂O₆) e liberano ossigeno molecolare (O₂); il tutto utilizzando come energia quella derivante dalle onde elettromagnetiche della luce solare, catturate dai fotorecettori del pigmento clorofilla nei cloroplasti. Gli autotrofi aerobi ottengono 36 molecole di ATP da una molecola di glucosio (glicolisi, ossidazione del piruvato, ciclo dell’acido citrico e catena respiratoria, ossidazione completa con acqua e anidride carbonica di rifiuto: 3CO₂ + 3H₂O = C₃H₆O₃ + 3O₂). Gli autotrofi anaerobi ne ottengono solo 2 (glicolisi, reazioni fermentative, ossidazione incompleta con rifiuto di composti a base di carbonio come acido lattico o etanolo e anidride carbonica).

In casi rari, alcuni organismi batterici ricavano l’energia dall’ossidazione di sostanze inorganiche, vengono chiamati chemioautotrofi.

Eterotrofi: detti anche consumatori, ingeriscono il cibo (animali) o lo assorbono (funghi, batteri, saprofiti che sono detti anche bioriduttori) e ricavano energia dalla degradazione di molecole.

Piante ed evoluzione

Conquista della terraferma

Grazie all’aumento della concentrazione atmosferica di ossigeno, per l’attività fotosintetica degli autotrofi primordiali venne a formarsi il metabolismo energetico (respirazione cellulare), più efficiente della fermentazione e si venne a creare uno strato protettivo di ozono nell’atmosfera. Negli oceani (ricchi inizialmente di organismi eterotrofi) le risorse organiche cominciarono a scarseggiare, favorendo la comparsa di organismi autotrofi; inoltre diminuirono anche le sostanze inorganiche, favorendo lo spostamento delle cellule verso le zone costiere e l’evoluzione di strutture di ancoraggio (piedi) e di sostegno (pareti cellulari), che permisero il passaggio alla terraferma, vantaggioso per la maggior quantità di O₂ e CO₂ e luce.

Evoluzione di: tessuto / organo / apparati

• Ricopertura: Epidermide, sughero (foglie e fusti). Protezione dalla perdita di acqua.
• Ancoraggio e assorbimento: Radici. Assorbimento di acqua e sali inorganici dal terreno.
• Conduzione: Tessuto xilematico. Rifornimento di H₂O / Sali minerali.
• Meccanico: Tessuti sclerenchimatici e collenchimatici. Sostegno e protezione del corpo della pianta.
• Propagazione: Embrione (giovane sporofito 2n) racchiuso in una struttura riproduttiva protettiva capace di nutrirlo: seme (tipico delle Angiosperme, dicotiledoni e monocotiledoni).

Piante a tallo: nelle piante a tallo sono presenti solo tessuti embrionali, per la crescita e il tessuto fotosintetico. È l’acqua che sostiene la pianta, che ha diretto accesso alla stessa e ai sali minerali. La fotosintesi si verifica nella maggior parte delle cellule ed è limitata a causa della scarsa disponibilità di luce e CO₂ (i gas in acqua si diffondono circa diecimila volte meno che nell’aria).

Piante a cormo: il mezzo (aria) non sostiene la pianta, le parti aeree non sono in diretto contatto con l’acqua e le sostanze minerali; vi è tendenza a perdere acqua nell’aria. La fotosintesi è limitata alle parti aeree della pianta. La diversificazione delle funzioni sostenute dalla pianta richiese la differenziazione dei tessuti (insiemi di cellule morfologicamente e funzionalmente specializzate) e organi specializzati.

Granulo pollinico e seme: il totale svincolamento dall’ambiente acquatico è rappresentato dal granulo pollinico (trasporta i gameti maschili all’apparato femminile) e dal seme, che contiene il nuovo individuo insieme a riserve energetiche e tegumenti di protezione. Entrambi non hanno bisogno di acqua per la dispersione.

Seme: le piante acquistano la capacità di inviare la propria progenie e conquistare nuovi territori. La condizione di quiescenza (attività metabolica rallentata) è ottenuta con la disidratazione delle strutture e permette di attendere condizioni ambientali favorevoli. Per la civiltà umana il seme ha rappresentato e rappresenta una fonte di cibo non deperibile e premessa di un nuovo raccolto.

Le piante sono organismi sessili (restano dove nascono): le piante captano i nutrienti dispersi nell’ambiente accrescendosi in modo indefinito, aumentando la superficie esterna (foglie, radici) grazie alla presenza di tessuti embrionali (meristemi) attivi per tutta la vita della pianta.

• Meristemi primari o epiteliali: determinano l’allungamento della pianta e si trovano all’apice del fusto nelle radici.
• Meristemi laterali (secondari): determinano l’ingrossamento della pianta.

Dovendo avere la superficie più ampia possibile per gli scambi tra radici, terreno e foglie, risulta avere organi molto sottili e radicati o molto appiattiti per la massima interazione tra organismo pianta e ambiente.

Cellula vegetale: strutture caratteristiche

Parete cellulare, plastidi e vacuolo. La cellula priva di parete cellulare è detta protoplasto, che non esiste in natura, ma può essere ottenuta artificialmente. Presentano innumerevoli varietà morfologiche, in base alla funzione che svolgono.

Regno dei protisti: protisti fotosintetici

• Diatomee
• Alghe unicellulari verdi
• Alghe brune, alghe rosse
• Alghe verdi

Le tre tipologie di alghe hanno linee evolutive indipendenti. Alghe brune, alghe rosse: utilizzate come cibo (coltivate). Sono fonte principalmente di polisaccaridi complessi utilizzati con funzione di addensanti e stabilizzanti (agar-agar, alginati, carragenine). Le alghe brune sono fonte di iodio (ipotiroidismo) e alginati (addensanti che attenuano lo stimolo della fame). Le alghe rosse sono fonte di agar-agar o carrageniani, polisaccaridi idrofili.

Alghe verdi: antenate delle piante superiori: cellulosa nelle pareti, zucchero di riserva (amido), pigmenti per la fotosintesi (clorofilla a e b), presenza di fragmoplasto quando le cellule entrano in mitosi.

Linee evolutive dall’alga: briofite (non vascolarizzate) e piante vascolarizzate (sistema per il rifornimento di acqua). Dalle vascolarizzate: piante senza seme (felci, ancora legate all’ambiente acquatico) e piante con il seme (gimnosperme come le conifere, che a si evolsero in angiosperme, piante con il fiore e quindi anche il frutto).

Evoluzione delle piante

Briofite: non possiedono veri tessuti conduttori per acqua e soluti e non ancora svincolate dall’ambiente acquatico. Presentano la comparsa di stomi e cuticola.

Piante vascolari:

• Crittogame: con sistema di trasporto di acqua, ma ancora forte dipendenza dall’ambiente acquatico, poiché si riproducono per mezzo di spore che hanno bisogno di acqua per muoversi. Ne fanno parte le felci e le capelvenere.
• Piante a seme:
  • Gimnosperme: seme nudo riportato sulla superficie di foglie o fusti modificati. Ne sono esempio le ginkgoacee (ginkgo biloba, con semi commestibili ma leggermente tossici), le conifere (pino, ginepro, tasso). I semi sono numerosi.
  • Angiosperme: seme contenuto in un vaso. Se ne conoscono 257000 specie e sono quelle a maggior interesse alimentare. Sono le piante che producono il fiore e presentano i cotiledoni, ossia foglie embrionali presenti nella struttura del seme, con struttura semplificata e funzione di nutrimento dell’embrione fino alla formazione delle radici e delle foglie.
    • Monocotiledoni: un cotiledone, nervature delle foglie parallele, tre o multipli di tre petali, disposizione causale dei fasci vascolari nel fusto, apparato radicale fascicolato. (cereali, Alliacee, canna da zucchero, palme da cocco)
    • Dicotiledoni: due cotiledoni, nervature reticolate nelle foglie, 4 o 5 petali, disposizione ordinata dei fasci vascolari nel fusto, apparato radicale a fittone. (Solanacee, Brassicacee, Leguminose, piante arboree da frutto)

Atomi, legami, molecole

Biomolecole inorganiche: acqua e sali minerali. Biomolecole organiche: glucidi, lipidi, proteine, acidi nucleici (molecole informazionali).

Materia: ogni sostanza che occupa spazio. Atomi: componenti più piccole della materia.

Modello di Bohr (1913): concetto di nuvola elettronica, che orbita attorno a un nucleo di protoni e neutroni.

La chimica della vita

La natura ha selezionato molecole “leggere”.

La tavola periodica

Nella colonna a destra ci sono i gas nobili, con l’ultimo livello di energia completo (sono chimicamente inerti). In verticale (gruppi) elementi con proprietà chimiche simili. In orizzontale (periodi): elementi ordinati per numero atomico crescente.

Le particelle che costituiscono l’atomo:

• Protoni: carichi positivamente (nucleo)
• Neutroni: privi di carica (nucleo)
• Elettroni: con carica negativa (orbitano intorno al nucleo)

Il numero atomico corrisponde al numero dei protoni. Il numero di massa corrisponde al numero di protoni più il numero di neutroni. Allo stato fondamentale, il numero di protoni eguaglia quello degli elettroni (elettro neutralità) portando l’atomo a carica pari a zero.

Gli isotopi

Sono atomi di uno stesso elemento che possiedono uguale numero di protoni, ma diverso di neutroni. Uguale numero atomico, diverso numero di massa, uguali proprietà chimiche. Alcuni sono radioattivi, anche instabili che possono andare incontro a decadimento radioattivo, ossia il nucleo si trasforma in un nucleo di un altro elemento, emettendo energia (può essere rilevata per identificare malattie).

Gli orbitali atomici

Un orbitale è una regione dello spazio in cui è più probabile trovare gli elettroni.

• Il primo livello: ha un solo orbitale s che può contenere al massimo 2 elettroni.
• Il secondo livello: ha l’orbitale 2s, che può contenere massimo 2 elettroni e ha anche gli orbitali 2p che ne possono contenere al massimo 6.
• Terzo livello: ha un orbitale 3s (massimo 2 elettroni) e gli orbitali 3p (massimo 6 elettroni).
• Quarto livello: ha l’orbitale 4s, gli orbitali 4p e gli orbitali 4d, con un massimo totale di 18 elettroni (10 nel 4d).

Gli orbitali con strato esterno incompleto sono chimicamente reattivi (al contrario dei gas nobili che sono chimicamente inerti).

Elettronegatività

Capacità degli elementi di attrarre a sé gli elettroni. (scala da 0,7 a 4)

• Molto elettronegativi: F, Cl, Br, O, N
• Mediamente elettronegativi: C, H
• Poco elettronegativi: K, Na, Ca

La differenza di elettronegatività in una molecola comporta uno sbilanciamento di carica nella molecola.

Composti polari

Atomi di elementi diversi (<1,7) si impegnano in un legame covalente, gli elettroni tendono quindi a passare più tempo nelle vicinanze del nucleo più elettronegativo. Il legame sarà covalente polare e la molecola sarà polare, ossia dotata.