Biologia per il liceo/Le piante/Sintesi

Le piante si sono evolute dalle alghe

I reperti fossili indicano che gli antenati delle piante erano un gruppo di alghe verdi chiamate caroficee risalenti a circa 500 milioni di anni fa. Il clima primordiale ricco di CO₂ ha favorito la diffusione dei primi organismi fotosintetici. Poi questi organismi si sono sviluppati dando origine ad alghe e poi alle piante ( appartenenti a due cladi distinti ). Infatti le alghe e le piante differiscono per alcune caratteristiche: ad esempio le alghe vivono in ambiente acquoso e quindi ricavano la CO₂ e i sali minerali dall’acqua, mentre le piante che vivono sulla terraferma, vivendo in un ambiente circondato da aria, devono affrontare diverse sfide: il mantenimento dell’ umiditá, assorbimento di sostanze nutritive dal terreno e dall’aria.

La conservazione dell'acqua

 Per questo motivo le piante sono ricoperte da una cuticola cerosa che riduce le perdite d’acqua, e le foglie hanno minuscoli pori, chiamati stomi, per gli scambi gassosi e sono provviste di cellule guardia che ne regolano l’apertura e la chiusura.

Assorbimento di sostanze nutritive

Le piante sono costituite da 3 organi: radici, fusto e foglie. Le radici servono per assorbire l’acqua e i sali minerali dal terreno. Sul fusto si trovano  le foglie ricavano CO₂ dall’aria e la luce dal sole e grazie ai cloroplasti ( organuli all’interno della cellula vegetale) svolge la fotosintesi per produrre energia. Le zone deputate alla crescita vengono chiamate meristemi apicali e si trovano all’estremità delle radici o del fusto.

Esistono due tipi di piante: quelle vascolari e quelle non vascolari. Per garantire il trasporto di sali minerali e acqua dalle radici alle foglie, le piante vascolari  hanno evoluto speciali tessuti vascolari .  Esistono due tipi di questo tessuto: lo xilema è formato da cellule morte e forma tubicini, nei quali fluiscono le sostanze nutritive e il floema formate da cellule vive e distribuisce gli zuccheri a tutte le parti della pianta.  Mentre quelle non vascolari sono prive di questi tessuti ( es: muschio ).

Il sostegno

Le piante devono essere in grado di mantenersi erette e per questo motivo le pareti cellulari di alcuni tessuti sono ispessite e rinforzate da una sostanza chimica chiamata lignina.

La riproduzione e la dispersione

Le alghe vivono in acqua  e questa garantisce sia l’idratazione dei gameti   sia la loro dispersione. Nelle felci e nei muschi i gameti vengono prodotti all’interno dei gametangi, involucri protettivi che circondano le cellule produttrici dei gameti. La cellula uovo rimane all’interno del gametangio femminile e viene fecondata da una cellula spermatica che nuota attraverso una pellicola d’acqua. La cellula fecondata si sviluppa rimanendo attaccata alla pianta originaria, che gli fornisce il nutrimento.

Classificazione

Le piante si dividono in briofite, pteridofite (piante senza semi) e gimnosperme e angiosperme (piante vascolari con semi).

Le piante senza semi non vascolari (briofite)

muschio

le briofite sono piante non vascolari (muschi, epatiche, antocerote). Queste piante possiedono embrioni che rimangono attaccati alla pianta madre, ma non sono provvisti di veri e propri organi, quindi radici, fusto e foglie. Inoltre non possiedono pareti lignificate e quindi non hanno sostegno nella crescita verso l’alto. Le briofite crescono aderenti al terreno e formano un “tappeto d’acqua” in cui le cellule spermatiche ,nuotando, possono raggiungere la cellula uovo.

Le piante senza semi vascolari (pteridofite)

Le piante vascolari senza semi presentano pareti lignificate, che forniscono un  ottimo sostegno. Queste piante comprendono le licopodiofite e le pteridofite (le felci). Si riproducono mediante spore che vengono trasportate dal vento.

Le piante vascolari con i semi

Le piante vascolari con  i semi sono la maggior parte delle specie vegetali, il loro successo è dovuto ad alcuni adattamenti, cioè i semi e il polline.  Il seme è formato da un embrione e una riserva nutritiva racchiusi all’interno di un rivestimento protettivo.

conifere

Il polline porta le cellule produttrici dei gameti maschili a contatto con le parti femminili.

Le piante con semi si dividono in:

• Gimnosperme

Le gimnosperme in cui i semi non vengono prodotti all’interno di comparti specializzati (frutto).  Il suo gruppo più vasto è quello delle conifere, piante che producono le pigne (pini, abeti,...).

alberi di jacaranda

• Angiosperme

Le angiosperme, piante composte da fiori, cioè strutture che danno origine ai semi all'interno di comparti specializzati (frutti).

Ciclo vitale delle piante

Le piante presentano una alternanza di generazioni: la generazione aploide ,dove la pianta produce i gameti, che si chiama gametofito e la generazione diploide, dove la pianta produce le spore, e si chiama sporofito. Una spora è una cellula che da origine ad un organismo senza fondersi con un'altra. I  gametofiti pluricellulare aploidi si dividono per mitosi producendo i gameti. Poi avviene la fecondazione e si crea lo zigote diploide e poi si divide per mitosi dando origine allo sporofito diploide che a sua volta produce spore aploidi per meiosi. Infine, queste spore si sviluppano dando origine a un gametofito pluricellulare aploide.

Il ciclo vitale dei muschi e di tutte le piante non vascolari sono dominate dal gametofito.

I gametofiti danno origine a gametangi maschili e femminili che riproducono i rispettivi gameti. Le cellule spermatiche flagellate “nuotano” attraverso la pellicola d’acqua per raggiungere la cellula uovo. Dopo la fecondazione, lo zigote resta nel gametangio femminile, dopo si divide per mitosi, dando origine ad uno sporofito. Poi la meiosi avviene negli sporangi ( una parte dello sporofito), dopo la meiosi le spore aploidi che vengono liberate dallo sporangio. Esso si divide per mitosi e si sviluppano nei gametofiti.

Nelle felci, la maggior parte del ciclo vitale è dominato dallo sporofito. le felci hanno cellule spermatiche flagellate che hanno bisogno di acqua per raggiungere la cellula uovo. I gameti vengono prodotti in luoghi separati, ma all’interno dello stesso gametofito. La fecondazione avviene all’interno del gametofito e lo zigote rimane al suo interno, dove si sviluppa uno sporofito. Gli ammassi di sporangi, che si trovano sulla parte inferiore della foglia, producono spore aploidi.  Le spore si dividono per mitosi e si sviluppano in gametofiti.

Carbonifero dominato da piante senza seme

Durante il carbonifero, le piante vascolari senza semi formavano vaste foreste nelle zone umide. Questo clima caldo e umido favoriva la crescita della vegetazione, infatti gli alberi più alti raggiungono un diametro di 2 m e un'altezza di 40 m.  La produzione di materia organica era immensa e quando le piante morivano, cadevano al suolo senza decomporsi completamente. I loro resti formavano depositi chiamati torbiere. Le acque marine sommersero questi depositi che si trasformarono in enormi depositi di carbone. Oggi questi depositi rappresentano i combustibili fossili. Poi il clima cambiò e le temperature si abbassarono favorendo le piante con seme che riuscivano a completare il loro ciclo vitale anche in zone aride.

La riproduzione delle gimnosperme

riproduzione gimnosperme

Nelle piante con seme, tutti gli stadi riproduttivi sono contenuti in una struttura specializzata all'interno dello sporofito. Nelle gimnosperme (pini e altre conifere), questa struttura si chiama cono, ed è simile ad un fusto corto con foglie spesse. Ogni squama del cono contiene degli sporangi, gli organi produttori delle spore. Nei pini si sviluppano due tipi di coni. Quelli più piccoli e flessibili si chiamano pollicini o coni maschili, che a loro volta producono i gametofiti maschili. Quando diventano maturi i coni maschili rilasciano dei granuli, che si disperdono nell’aria durante la primavera. Il cono femminile, chiamato anche pigna, da origine ai gametofiti femminili. In ognuna delle squame rigide è contenuta una coppia di ovuli, che sono rivestiti da un tegumento, uno strato protettivo per l’ovulo. L'impollinazione si verifica quando un granulo di polline si deposita su un ovulo tramite un micropilo. Dopo l’impollinazione nell’ovulo una spora si divide in quattro spore per meiosi, di cui tre degenerano, mentre la quarta si sviluppa in un gametofito, che produce una o più cellule uovo. La fecondazione avviene in tutte le cellule uovo tramite un tubetto pollinico (generato da un granulo pollinico) che passa attraverso il micropilo. L’ovulo matura diventando un seme. I semi vengono dispersi dal vento in condizioni meteorologiche favorevoli, germinano, e da lì avrà origine una nuova pianta.

La struttura di un fiore

I fiori sono i siti di impollinazione e fecondazione nelle angiosperme, e avvengono con modalità simili alle gimnosperme. La struttura di un fiore è molto diversa da quella di una squama di un cono, e ogni elemento è specializzato per una determinata funzione. Ci sono quattro diversi tipi di foglie attaccate al ricettacolo alla base del fiore. Nello strato più esterno fanno parte i sepali, che racchiudono il fiore prima della sua apertura. Nello strato successivo vi si trovano i petali, che presentano forme e colori appariscenti per attrarre gli impollinatori. Le strutture riproduttive delle angiosperme sono gli stami e i carpelli. Lo stame è composto da un filamento che contiene una sacca, chiamata antera, che contiene gli sporangi che producono il polline. Il carpello è costituito da uno stilo che si allarga alla base in un ovario, mentre nella sua cima ha uno stimma, che serve a catturare il polline. Ogni ovulo da origine a un seme, mentre l’ovario da origine al frutto.

La riproduzione di un fiore

Nelle angiosperme i gametofiti si sviluppano nei fiori. La meiosi nelle antere del fiore dà origine ai gametofiti maschili, mentre la meiosi nell’ovulo produce dà origine al gametofito femminile, la cellula uovo . L’impollinazione si verifica quando un granulo di polline si deposita su uno stimma. Da lì a poco dal polline si allungherà un tubetto pollinico che andrà a fecondare una cellula uovo formando uno zigote. Mentre il seme si sviluppa, accresce anche il frutto, che in condizioni favorevoli contribuisce alla dispersione del seme.

La composizione delle piante

Anche le piante possiedono una struttura basata su un’organizzazione gerarchica, gli organi principali di essa sono: radici, fusto e foglie. La loro struttura è divisa in due sistemi (radicale e aereo), essenziali alla pianta per vivere. Il sistema radicale raccoglie acqua e sali minerali dal suolo, mentre il sistema aereo porta alla pianta lo zucchero e altre sostanze organiche per la sopravvivenza di essa.

Le angiosperme sono classificate in due tipi diversi, in base al numero di foglie presenti nell’embrione, chiamate anche cotiledoni (immagazzinano sostanze di riserva). Le specie con un cotiledone sono chiamate monocotiledoni, mentre quelle che ne hanno due, sono raggruppate nel gruppo dei dicotiledoni.

Il sistema radicale

Il sistema radicale ha la funzione di assorbire e trasportare acqua e sali minerali, e di immagazzinare sostanze nutritive. Sono dotate di peli radicali, delle estroflessioni sottili, che facilitano l’assorbimento dell’acqua.

I monocotiledoni (radice fascicolata) possiedono delle radici sottili che formano un fitto intreccio, ma vanno a poca profondità nel suolo.

Le dicotiledoni (radice a fittone) invece sviluppano una grande radice principale, il fittone, che si ramifica in varie radici secondarie.

Sistema aereo

Il sistema aereo è costituito da fusto e foglie.

Il fusto è quella parte esterna al terreno che sostiene le foglie e i fiori. In un fusto si possono osservare i nodi, cioè i punti in cui si inseriscono le foglie e successivamente i rami. Nella maggior parte delle piante, le foglie sono il principale organo fotosintetico. Le foglie sono costituite da una lamina e un picciolo che la collega a un nodo del fusto. Il fusto di una pianta si allunga dalla gemma apicale, mentre le gemme ascellari fanno aumentare la ramificazione laterale. In molte piante le gemme ascellari vengono inibite dalla gemma apicale con un fenomeno chiamato dominanza apicale. Questo serve perché la pianta usi la maggior parte delle sue risorse per accrescere in altezza cosicché aumenti l’esposizione solare.

La dispersione dei semi nei frutti (angiosperme)

Il frutto, ovvero l’ovario maturo del fiore, è un adattamento che favorisce la dispersione dei fiori. Alcune angiosperme affidano questo compito al vento, mentre altri tipi di frutti hanno delle “spine” che si agganciano alla pelliccia degli animali, che in quel caso diventano involontari vettori. Altre angiosperme invece producono dei frutti carnosi e commestibili che attraggono molti animali. Quando questi frutti maturano, assumono colorazioni vistose. Quando vengono ingeriti, la parte carnosa viene digerita, mentre i semi passano indenni nell'apparato digerente, fino a venire espulse tramite le feci, che sono un fertilizzante naturale.

Attività

Approfondimento sulle principali specie arboree.