Botanica Generale ed Applicata: evoluzione, morfologia e fisiologia delle piante

Introduzione alla Botanica Generale ed Applicata

Corso: Botanica Generale ed Applicata Mario Marini - 1º anno, TPALL - UniBS INTRODUZIONE La vita biologica sulla terra si forma circa 4,6 miliardi di anni fa. Si forma il cosiddetto brodo primordiale composto da una serie di elementi come trizio, idrogeno (H), metano (CH4), ammoniaca e anidride carbonica: H2 + H3 + CH4 + H2O + CO2). Queste sostanze hanno creato una vita di tipo chimico- inorganica.

Esperimento di Miller e Origine della Vita

Esperimento: nel 1953 Miller studia attraverso un circuito sterile in cui tutti gli elementi del brodo primordiale inseriti in una camera di fermentazione. Questo viene poi portato ad ebollizione salendo verso una camera contenente elettrodi per simulare elementi naturali come fulmini e radiazioni UV, raggiungono poi una camera refrigerante per condensare così i vapori. Con questo esperimento, Miller, ottiene così la dimostrazione che da elementi inorganici (brodo primordiale) si è creato un primo esempio di vita biologica sulla terra: amminoacidi e nucleotidi - base degli acidi nucleici (DNA e RNA). Le prime cellule così create formano a loro volta dei sistemi biologico-organici che hanno la capacità di assimilare energia e materiali dall'ambiente e di scambiarli poi con l'ambiente stesso. Queste prime forme di vita sono ad esempio i batteri.

Prime Forme di Vita Cellulare

La prima forma di vita cellulare sulla terra è completamente anaerobia (assenza di ossigeno) formata da procarioti (batteri) responsabili della formazione di sorgenti fossili e giacimenti petroliferi, come i batteri del metano, chemiosintetici ed anaerobi (fanno parte del dominio degli archea - batteri anaerobi obbligati). Reazione: 2CO2 + BH2 -> 2CH4 + 4H2O.

Riproduzione Batterica

I batteri hanno una grande capacità di riprodursi e moltiplicarsi con rapidità: un esempio è l'escherichia coli batterio che si riproduce circa ogni 20 minuti > dopo 24h di incubazione può raggiungere dimensioni terrestri.

Vita Anaerobia e Alghe Unicellulari

Nasce così la prima vita anaerobia, rappresentata dalle prime alghe unicellulari. La chlamidomonas, un tipo di alga, un genere genomico che ha la stessa composizione e specializzazione di una cellula ma con un vacuolo molto grande, questa può vivere in presenza di acqua, formando flagelli atti alla sua motilità mentre in assenza di acqua si instaura con forme di resistenza nell'ospite.

Classificazione delle Forme di Vita

Le forme di vita distinguibili sono quindi:

• Autotrofa: organismi che producono molecole organiche da semplici sostanze inorganiche;
• Eterotrofa: organismi che producono energia da prodotti organici prodotti da altri organismi viventi (uomo).

Organizzazione Cellulare

La vita cellulare organizzata è formata quindi da procarioti + eucarioti. La prima cellula eucariota non è una cellula attiva, nasce sottoforma di micella che raccoglie poi tutti gli organuli necessari alla sua completa funzionalità.

Formazione della Cellula Animale

La cellula animale, per aumentare il proprio spazio per accogliere il resto degli organuli, senza aumentare il proprio volume, invagina la propria membrana esterna, formando così delle pieghe interne. Avviene successivamente la formazione del citoscheletro formato da microtuboli e microfilamenti, appaiono le prime forme di produzione proteica, vengono creati dei derivati funzionali del citoscheletro detti flagelli. La cellula eterotrofa, in ricerca di energia, ingloba nel suo insieme i mitocondri.

Formazione della Cellula Vegetale

La cellula animale ora formata, trova un'altra tipologia di batterio fotosintetico, un cianobatterio che è in grado di convertire la materia inorganica in un composto organico energetico per formazione di zuccheri. La cellula lo ingloba per simbiosi formando cosi il cloroplasto.Corso: Botanica Generale ed Applicata Mario Marini - 1º anno, TPALL - UniBS

Tempo Biologico di Evoluzione

Formazione della terra: comparsa delle prime cellule ancestrali,

• Apparsa dell'ossigeno,
• Primi fossili eucarioti,
• Fossili pluricellulari,
• Comparsa delle piante,
• Piante con fiori,
• Era dei dinosauri,
• Comparsa dell'uomo.

Selezione Naturale

La vita sulla terra si evolve in modo costante tramite il processo di speciazione ossia la formazione di organismi pluricellulari che si adattano ai vari tipi di ambienti terrestri, tramite selezione naturale. Prendendo ad esempio una pianta, questa dovremmo trovarla identica in tutte le tipologie di ambienti; avviene invece una speciazione di tipo pedodinamico cioè in base all'altitudine in cui si trova la pianta. In questo caso viene mantenuta la stessa tipologia di pianta ma viene modificata la sua altezza per garantire il suo adattamento all'ambiente.

Selezione Umana

Rappresenta la selezione effettuata, sulle piante, dall'uomo. Prendendo ad esempio la brassica oleracea l'uomo ne va a selezionare determinati geni e porzioni di arbusto per creare diverse tipologie di altre piante come broccoli, cavolo cappuccio, cavolfiore (selezione indotta per fini commerciali).

Ibridazione

Il processo di ibridazione consente di ottenere nuove varietà modificando alcuni elementi e caratteristiche di diverse specie vegetali, affini, che, tramite la combinazione di gameti tramite meiosi da un organismo diploide (2n), questi vengono poi uniti formando così un individuo sterile (in caso dell'uomo), con caratteristiche di entrambe le specie originarie. Questi individui sterili possono dare origine ad altri organismi modificati tramite il meccanismo di poliploidia. Un esempio lo è la pianta di tabacco attuale, che ibridata con specie affini di cui una che produce nicotina ha dato origine ad una specie nuova. Definito come un derivato allopoliploide. Lo stesso avviene con il seme del grano, che ibridato con altre specie da origine a diverse tipologie di grano, il grano duro è tetraploide mentre il grano tenero è esaploide. Base: 2n (diploide) L'uomo presenta circa 2500 Mb (megabasi) di geni corrispondenti circa a 23.000 geni, un topo circa 37.000 geni. Questo garantisce all'individuo con più geni una maggiore probabilità di adattarsi all'ambiente. Il megabase (Mb), corrispondente a 106 paia di basi azotate, è un'unità di misura della quantità di informazione genica contenuta nel DNA.

Macromolecole Polimeriche

• Zuccheri: come glucosio e fruttosio che possono formare elementi polimerici come cloroplasti,
• Nucleotidi: composti bivalenti, costituiti da una base azotata (zucchero pentoso) e una base scheletrica (zucchero fosfato); questi si organizzano poi in DNA e poi cromosomi,Corso: Botanica Generale ed Applicata Mario Marini - 1º anno, TPALL - UniBS
• Amminoacidi: proteine che unite formano polipeptidi, poi in fibre e filamenti intermedi (collagene o fibre muscolari),
• Lipidi: acidi grassi come le proteine di membrana,

Condizioni di Vita Cellulare

Le condizioni di vita della cellula sulla terra sono regolate in diversi ambienti:

• Condizione isotonica: stesso equilibrio tra acqua e Sali minerali (le cellule sono flaccide),
• Condizione ipertonica: maggiore quantità di Sali minerali e nutrienti rispetto all'acqua (la cellula si contrae e rimane in condizione di stasi),
• Condizione ipotonica: maggiore quantità di acqua rispetto ai nutrienti (la cellula vegetale a differenza di quella animale rimane compatta e tonica).

La Cellula Vegetale

La cellula vegetale, presenta come struttura di base quella della cellula animale, la sostanziale differenza è la parete cellulare semirigida esterna, la presenza di un vacuolo centrale e di cloroplasti. La parete cellulare è una parete semirigida che si trova sempre a contatto con altre pareti cellulare di altre cellule (vicine). È presente una parete cellulare primaria, quella che si forma prima quindi più vecchia e una secondaria più giovane. La doppia parete rende le cellule più resistenti ed elastiche. Le pareti cellulari vegetali sono formate da una componente polisaccaridica (più monosaccaridi), formando cosi la cellulosa. Tra una cellula e l'altra si trova la lamella mediana con funzione elastica. Nelle cellule vegetali è inoltre presente una quantità inferiore di colesterolo rispetto a quelle animali, vi è una grande quantità di stigmasterolo. Anche nella cellula vegetale, i trasporti di membrana possono essere passivi (diffusione) oppure attivi (pompe Na-K). Svolgono processi di endocitosi per nutrirsi dall'esterno, di esocitosi e di fagocitosi, per inglobare agenti patogeni in grandi quantità. Mediante la pinocitosi si ha la captazione di acqua verso l'esterno della cellula, questo processo può avvenire in modo passivo, tramite gravità oppure in modo attivo tramite l'azione della clatrina (proteina di captazione delle molecole liquide). Lo scarto di sostanze metaboliche viene sempre mediato dall'apparato di Golgi I reticoli endoplasmatici rimangono invariati rispetto alla cellula animale. I ribosomi come nella cellula animale sono sintetizzati dal nucleolo e sono formati da due sub-unità, una più grande (3 molecole di RNA ribosomiale) ed una più piccola (1 molecola di RNA ribosomiale), insieme rappresentano la sede di sintesi delle proteine ed enzimi. È presente nella cellula vegetale il vacuolo centrale con caratteristica fisica di mantenere tonicità e dimensione della cellula e di garantire una riserva di acqua, zucchero e Sali minerali. In molte piante, i vacuoli sono la sede di produzione di tossine (scarti metabolici) usati come azione difensiva. I mitocondri presentano stessa funzione e stessa struttura delle cellule animali Il cloroplasto è l'organulo tipico delle cellule vegetali, presenta una grande quantità di clorofilla. Tramite un processo di conversione di elementi inorganici ad elementi organici avviene il processo di fotosintesi. i cloroplasti presentano un proprio genoma e loro DNA. Sono composti da una doppia membrana, quella esterna comune a quella cellulare mentre quella interna è propria del cloroplasto. Internamente sono presenti delle strutture chiamate tilacoidi dove avviene il processo di fotosintesi. queste strutture interne sono immerse in una matrice detto stroma composto da acqua, zuccheri, Sali minerali ed altre sostanze.Corso: Botanica Generale ed Applicata Mario Marini - 1º anno, TPALL - UniBS

Origine dei Cloroplasti

Origine dei cloroplasti: i cianobatteri sono gli antenati ancestrali dei cloroplasti. Il cianobatterio è un batterio fotosintetico definito così se libero, non in simbiosi con la cellula. Quando questo si unisce alla cellula diventa cloroplasto. I plasmodesmi rappresentano delle giunzioni di comunicazione tra una cellula e l'altra. Sono delle piccole aperture che mettono in condivisione il REL delle cellule comunicanti dove al loro interno scorrono i microtuboli. Tra una cellula e l'altra scorre una lamella mediana che presenta una funzione elastica.

La Fotosintesi

La fotosintesi rappresenta il fenomeno fondamentale alla base dei processi vitali di una pianta ma anche della nostra vita, infatti la vita sulla terra è una questione prevalentemente energetica che dipende dall'energia solare, quindi dal sole; il sole rappresenta la fonte di vita (ogni giorno arriva sulla terra l'energia solare pari a 1 milione di volte l'energia rilasciata dalla bomba di Hiroshima, solo l'1% di questa energia viene convertita in energia metabolica mentre la restante parte viene irradiata dai corpi). Dal sole, giungono sulla terra prevalentemente radiazioni UV e IR (infrarossi), la luce UV è quella considerata dannosa non solo per l'uomo ma anche dalle piante, per ragioni genetiche; quella IR e la luce visibile è invece considerata come "buona" per gli organismi. La fotosintesi che viene svolta a livello vegetale si divide in due tipologie o fasi:

• Ossigenica: svolta in presenza di ossigeno, nelle piante, foglie, alghe e cianobatteri;
• Anossigenica: svolta in assenza di ossigeno, come per i batteri anaerobi (archea) in particolare i purpurei, sulfurei e non sulfurei.

Processi della Fotosintesi

Nelle piante la fotosintesi avviene principalmente a livello delle foglie, e viene riassunta in due fasi:

• Luce dipendente: o fase luminosa: a sua volta diviso in due sottofasi, il fenomeno avviene catturando l'energia solare e producendo nella prima fase le molecole che sono la base di tutti i processi necessari successivamente mentre nella seconda fare producendo due molecole energetiche ATP e NADPH, tutto questo processo avviene all'interno dei tilacoidi.
• Luce indipendente o fase oscura: viene definito come ciclo di fissazione del carbonio o ciclo di Calvin dove avviene la trasformazione di ATP e NADPH per formare zucchero utile all'organismo e alle cellule e sostanze di scarto da eliminare. Il processo avviene all'interno dello stroma.

Reazione: 6CO2 + 12H2O -> C6H1206 + 6H2O + 602 Vengono liberate alla fine della razione 6 molecole di ossigeno molecolare che permettono la vita sulla terra L'organo fotosintetico principale della pianta è la foglia (piante superiori). Alcune piante riescono a svolgere il processo di fotosintesi anche dal tronco - fusto (piante con fusto verde) definite come piante inferiori.

Fotosintesi sulla Foglia

La foglia viene delimitata superiormente e inferiormente da uno strato di cellule trasparenti (assenza dei cloroplasti) chiamata cuticola in modo da poter permettere la trasmissione di luce dall'esterno verso l'interno della cellula. Al di sotto della cuticola si trova il mesofillo che rappresenta la parte più abbondante della struttura, composto da cellule ricche di cloroplasti. Nei cloroplasti i tilacoidi sono impilati a formare la grana mentre lo stroma riempie lo spazio interno e rappresenta la sede dove avviene la fase oscura delle fotosintesi. Anidride carbonica (00) Rubisco 12 molecole di molecole di 3-osloglicerato (( (PGA) Ribulosio 1,5-bifostato (5C) (RUBIP) Fissazione del carbonio FASE J 12 ADP 12 molecole di 6 ADP FASE3 cogenerazione dela rubiaco Ciclo di Calvin 1,3-bifosfoglicerato (30) 12 NADPH FASE ? = 12 NADP+ 10 molecole d Gliceraldeide 3-fosfato (3C) 12 molecole d Glicer aldeide 3-fosfato (3℃) (G3P) 2 molecole di Gliceraldeide 3-fosfato (3C) (G5P) Glucosio e atri zuccher