La maggior parte delle piante è rappresentata dal gruppo delleangiosperme (appartenenti allespermatòfite), con circa 250 000 specie che si distinguono dagli altrigruppi per la produzione deifiori, seguita, dopo l'impollinazione, dalla formazione disemi racchiusi e protetti all'interno di unfrutto.
Le branche dellabiologia più importanti che si occupano dello studio delle piante sono labotanica per la sistematica e l'anatomia, lafisiologia vegetale per il loro funzionamento e l'ecologia vegetale, che studia la distribuzione delle piante e l'effetto dei fattori ambientali che influenzano tale distribuzione, nonché le interazioni tra le piante e gli altri organismi.
sonoorganismi autotrofi, per l'approvvigionamento energetico svolgono lafotosintesi clorofilliana, un insieme di reazioni biochimiche, che permette di catturare parte della luce solare trasformando l'anidride carbonica in zuccheri ed altre sostanze;
lepareti cellulari sono strutturate con una base dicellulosa e le cellule stesse possono immagazzinareamido come fonte energetica di riserva.
I limiti precisi del regno delle piante, per quanto riguarda gli organismi inferiori e in particolare unicellulari, sono stati oggetto di valutazioni in parte discordanti. Inizialmente, il regno delle piante (più esattamente il regno Vegetale, vedi sotto) comprendeva anche organismi eterotrofi (come gli animali) come ifunghi, e tutti i batteri e archeobatteri. Successivamente, le piante vennero ristrette ai soli organismi autotrofi pluricellulari, rimandando tutti gli organismi unicellulari anche autotrofi al regno deiprotisti.
Oggi prevale la tendenza a riportare nel regno delle piante gli organismi unicellulari autotrofi, purché eucarioti.[2] Ciò si applica in particolare allealgheverdi, tradizionalmente incluse nei Protisti; esse farebbero parte del regno delle piante, perché hanno cellule con le pareti di cellulosa, contengono lo stesso tipo di clorofilla delle piante terrestri e producono amido con la fotosintesi.
Vi sono anche altre posizioni, come quella degli studiosi che considerano ancora oggi le piante un gruppo tassonomico ben circoscritto, dal quale ribadiscono l'esclusione delle alghe.[3] Ancora più controversa è la collocazione dellealghe rosse o rodofite, che hanno una parentela meno stretta delle alghe verdi con le piante superiori. Rimangono unanimemente esclusi iprocarioti capaci di fotosintesi, in particolare il gruppo delle alghe azzurre (più correttamente chiamatecianobatteri).
Per la loro semplicità strutturale e la stretta vicinanzafilogenetica, le alghe verdi vengono considerate antenate delle piante terrestri. Secondo questa ipotesi, circa 400 milioni di anni fa alcune alghe verdi d'acqua dolce (leCaroficee o leCarofite secondo i diversi inquadramenti tassonomici), facevano capolino sulle rive deilaghi esposte per breve tempo all'aria. Queste sottili fasce verdi intorno alle zone d'acqua erano l'unicavegetazione sulla terraferma, allora completamente deserta.
Gli antenati delle piante terrestri si sono evoluti nell'acqua. Una schiuma algale si formò sulla terra già 1,2 miliardi di anni fa, ma solo nell'Ordoviciano, intorno a 450 milioni di anni fa, apparvero le prime piante terrestri, con un livello di organizzazione simile a quello dellebriofite.[4][5] Tuttavia, i fossili di organismi con untallo appiattito nelle rocceprecambriane suggeriscono che eucarioti multicellulari d'acqua dolce esistevano oltre un miliardo di anni fa.[6]
Le piante terrestri primitive iniziarono a diversificarsi nel tardoSiluriano, intorno al 420 milioni di anni fa.Muschi,licofite efelci compaiono poi nei reperti fossili.[7] L'anatomia delle piante primitive è conservata nei minimi dettagli cellulari in un insieme di fossili delDevoniano antico. Queste prime piante vennero conservate pietrificandosi nellaselce formata nelle sorgenti calde vulcaniche ricche di silice.[8]
A partire dalXVII secolo, le piante venivano incluse nel più vasto – ed allora poco conosciuto – Regno Vegetale, che comprendeva anche tutti i tipi dialghe, ifunghi, ibatteri e ilicheni. DalXX secolo, con l'avanzare delle conoscenze scientifiche, i funghi, biochimicamente e filogeneticamente molto più affini aglianimali, vennero ascritti a un separatoregno tassonomico, i batteri si ripartirono nei due regni (o, più correttamente, divisioni)eubatteri earcheobatteri, i licheni vennero riconosciuti come organismi modulari formati dallasimbiosi di un'alga e di un fungo, mentre le alghe della prima classificazione vennero disperse: la maggior parte di quelle microscopiche comprese nelle piante, mentre molte altre, a seconda dei gruppi, divise in ambiti tassonomici differenziati e tuttora in parte controversi.
Nel corso della complessastoria della tassonomia delle piante, i continui cambiamenti apportati dai botanicisistematici hanno così generato diversi raggruppamenti, spesso basati su distinzioni morfologiche e riproduttive. Anche se molti di essi sono ufficialmente in disuso, questi gruppi rimangono tuttora utilizzati in botanica perché offrono una rapida comprensione delle differenze mostrate dagli organismi vegetali, a seguito di una diversa complessità tracciata dalcammino evolutivo.
Con l'avvento della filogenesi molecolare, molti gruppi inizialmente considerati monofiletici come le Bryophyta, le Gimnosperme o le Charophyta, sono stati suddivisi in linee separate risultando così parafiletici. Uncladogramma semplificato realizzato alla luce degli studi filogenetici è il seguente:[18]
Struttura della cellula vegetaleAnatomia di una pianta da seme. 1. Fusto. 2. Apparatoradicale. 3.Ipocotile. 4. Germoglio terminale. 5.Foglia. 6. Internodio. 7. Gemma ascellare. 8.Picciolo. 9. Stelo. 10. Nodo. 11.Fittone. 12. Peli radicali. 13. Punta della radice. 14.Cuffia della radice.
Le cellule vegetali presentano caratteristiche distintive che mancano in altre cellule eucariote (come quelle degli animali). Tra questi vi sono il grandevacuolo centrale pieno d'acqua, icloroplasti e la forte e flessibileparete cellulare, che si trova all'esterno dellamembrana cellulare. I cloroplasti derivano da quella che un tempo era una simbiosi tra una cellula non fotosintetica e uncianobatterio fotosintetico. La parete cellulare, composta principalmente dacellulosa, consente alle cellule vegetali digonfiarsi d'acqua senza scoppiare. Il vacuolo consente alla cellula di cambiare dimensione mentre la quantità dicitoplasma rimane la stessa.[19]
La maggior parte delle piante sonopluricellulari. Le cellule vegetali si differenziano in molteplici tipi di cellule, formando tessuti come il tessuto vascolare conxilema efloema specializzati delle nervature fogliari e dei fusti, e organi con diverse funzioni fisiologiche come leradici per assorbire acqua e minerali, gli steli per il supporto e per trasportare acqua e molecole sintetizzate, lefoglie per la fotosintesi e ifiori per la riproduzione.[20]
Le pianteeffettuano la fotosintesi, producendo molecole alimentari (carboidrati) utilizzando l'energia ottenuta dallaluce. Le cellule vegetali contengonoclorofille nei loro cloroplasti, che sono pigmenti verdi utilizzati per catturare l'energia luminosa. L'equazione chimica per la fotosintesi è:[21]
Ciò fa sì che le piante rilascinoossigeno nell'atmosfera. Le piante verdi forniscono una parte sostanziale dell'ossigeno molecolare del mondo, insieme al contributo delle alghe fotosintetiche e dei cianobatteri.[22][23][24]
Le piante che hanno adottato secondariamente uno stile di vita parassitario possono perdere i geni coinvolti nella fotosintesi e nella produzione di clorofilla.[25]
La crescita è determinata dall'interazione delgenoma di una pianta con il suo ambiente fisico e biotico.[26] I fattori dell'ambiente fisico o abiotico includono latemperatura, l'acqua, la luce, l'anidride carbonica e inutrienti nel suolo.[27] I fattori biotici che influenzano la crescita delle piante includono l'affollamento, il brucamento, i batteri e i funghi simbiotici benefici e gli attacchi di insetti omalattie delle piante.[28]
Il gelo e la disidratazione possono danneggiare o uccidere le piante. Alcune piante hannoproteine antigelo,proteine da shock termico e zuccheri nel loro citoplasma che consentono loro di tollerare questi stress.[29] Le piante sono continuamente esposte a una serie di stress fisici e biotici che causano danni al DNA, ma possono tollerare e riparare gran parte di questi danni.[30]
Le piante si riproducono sia sessualmente, tramitegameti, siaasessualmente, tramite la normale crescita. Molte piante utilizzano entrambi i meccanismi.[31]
Quando si riproducono sessualmente, le piante hanno cicli di vita complessi che prevedono l'alternanza di generazioni. Una generazione, losporofito, che èdiploide (con 2 serie dicromosomi), dà origine alla generazione successiva, ilgametofito, che èaploide (con una serie di cromosomi). Alcune piante si riproducono anche asessualmente tramitespore. In alcune piante non fiorite come i muschi, il gametofito sessuale forma la maggior parte della pianta visibile.[32] Nelle piante da seme (gimnosperme e angiosperme), lo sporofito costituisce la maggior parte della pianta visibile, mentre il gametofito è molto piccolo. Le angiosperme si riproducono sessualmente tramite i fiori, che contengono parti maschili e femminili: queste possono trovarsi all'interno dello stesso fiore (ermafroditismo), su fiori diversi della stessa pianta (monoicismo) o su piante diverse (dioicismo). Glistami produconopolline, che contiene i gameti maschili che entrano nell'ovulo per fecondare la cellula uovo del gametofito femminile. La fecondazione avviene all'interno deicarpelli oovari, che si sviluppano infrutti contenenti isemi. I frutti possono essere dispersi interi oppure possono aprirsi e lasciar disperdere i semi individualmente.[33]
Le piante si riproducono in modo asessuato sviluppando una qualsiasi delle numerose strutture in grado di dare origine a nuove piante. Nella forma più semplice, piante come i muschi o le epatiche possono essere spezzate in varie parti, ognuna delle quali può rigenerarsi dando origine a piante intere. La propagazione delle piante da fiore tramitetalea è un processo simile. Strutture come glistoloni permettono alle piante di crescere fino a coprire un'area, formando unclone. Molte piante sviluppano strutture di riserva alimentare cometuberi obulbi che possono svilupparsi in una nuova pianta.[34]
Alcune piante non fiorite, come molte epatiche, muschi e alcuni licopodi, insieme ad alcune piante fiorite, sviluppano piccoli gruppi di cellule che possono staccarsi e crescere in una nuova pianta.[35][36]
Lafotosintesi condotta dalle piante e dalle alghe è la principale fonte dienergia e dimateria organica (lafitomassa) in quasi tutti gliecosistemi. Questo processo portò ad un radicale cambiamento della composizione dell'atmosfera originaria, causato da un incremento della quantità diossigeno, che ora ne occupa il 21% del volume. Ciò permise lo sviluppo degli organismiaerobi ed in seguito l'approdo dellavita nell'ambiente sub-aereo. Grazie all'autotrofia, le piante sono i produttori primari negli ecosistemi terrestri, formando la base dellacatena alimentare, da cui dipende l'esistenza deglianimali e degli altri organismieterotrofi.[37]
Le piante sono anche gli organismi dominanti i varibiomi terrestri, i cui nomi derivano proprio dal tipo divegetazione caratteristica. Numerosi animali si sono coevoluti con le piante, assumendo entrambi forme e comportamenti specializzati a favorire un'associazione mutualistica che, a volte, diviene così stretta da legare le due specie letteralmente per la "vita", perché la scomparsa di una particolare pianta provoca l'immediataestinzione della specie animale simbiotica e viceversa. Mentre le piante offrono tane, siti per la riproduzione e cibo in quantità, alcuni animali, dettipronubi, favoriscono l'impollinazione dei fiori; altri ladispersione dei semi. Lemirmecofite sono piante coevolutesi con leformiche, che le difendono daglierbivori o da piantecompetitrici e lefertilizzano con i loro rifiuti organici, in cambio di una casa e, non sempre, di cibo.
Oltre che con i batteri e gli animali, le piante instaurano frequentemente simbiosi con delle specie fungine tramite le radici, formando un'associazione definitamicorriza: i funghi aiutano la pianta per l'assorbimento dell'acqua e dei nutrienti presenti nel suolo; la pianta offre in cambio icarboidrati prodotti con la fotosintesi. Altre specie ospitano al loro interno dei funghi endofitici che proteggono la pianta dagli erbivori mediante la produzione ditossine. NelleOrchidacee, i semi sono privi o carenti diendosperma e lagerminazione non può avvenire senza l'ausilio di un fungo specifico.
Come tutti gli esseri viventi le piante possono essere sensibili a molecole perché le loro cellule sono dotate di recettori di tali sostanze; usano questi recettori, per esempio, per ricevere informazioni dall'ambiente. Se le cellule delle radici captano la presenza di nutrienti comeazoto efosforo, la crescita delle radici si rivolge verso la direzione degli elementi. Le piante sono anche in grado di reagire in tempo reale a uno stimolo meccanico. Lepiante carnivore hanno questa caratteristica.
Ad esempio ladionea ha sulle foglie-trappola dei peli sensibili che rilevano la presenza degli insetti e che consentono alle trappole di chiudersi immediatamente, impiegando meno di un secondo, e laMimosa pudica ritrae le foglie se toccata. Le piante individuano la luce grazie a molecole presenti sulle foglie (come ifitocromi) che agiscono da recettori. Diverse specie di piante sono in grado di percepire l'umidità del terreno, lagravità, la CO2 (anidride carbonica) o altri composti chimici. Come difesa passiva usano centinaia di molecole, quali l'acido salicilico, lamorfina, lanicotina e lacaffeina. Queste molecole rendono la pianta poco appetibile o velenosa.
L'emissione di alcune molecole si verificano in caso di predazione; ad esempio l'artemisia, se ferita, emette dei composti chimici che fanno reagire le piante vicine. Iltabacco,cotone ofagiolo delPerù, quando sono attaccati da insetti, producono molecole che attirano altri insetti predatori che le liberano dai loro aggressori. Le piante usano i filamenti (miceli) deifunghi che vivono insimbiosi con le radici, scambiandosi segnali chimici, formando una rete molto più vasta di quella delle sole radici.[38]
GiàCharles Darwin aveva supposto, nel suoThe power of movement in plants (1880), che le radici potevano essere considerate sede di fenomeni di elaborazione dell'informazione delle piante. Ogni segmento delle radichette ha una funzione particolare quando si addentra nel terreno. È in grado di percepire le condizioni ambientali e produce e propaga segnali elettrici.[39]M. pudica è anche in grado di memorizzare localmente eventi passati. Dopo alcuni di questi colpi innocui smette di chiudere le foglie, mostrando il fenomeno dell'abituazione.[39]
Da evidenze emerse sullo studio di piante di pomodoro, tabacco ed altre, è emerso che ogni pianta emette suoni acuti quando viene sottoposta a stress, nell'ordine di -65dbspl tra i20 kHz ed i100 kHz e che quindi il suono emesso è piuttosto forte e può essere udito da diversi metri di distanza in parte da umani, altri animali, insetti ed altre piante.[40] Questi suoni sono stati registrati da un team diretto da Itzhak Khait al Tel Aviv University in Israele, e sottoposti ad un programma di intelligenza artificiale che è riuscito a predire dal solo ascolto del suono emesso anche in mezzo a rumori ambientali, lo stato della pianta come secca, recisa o intatta. Quando la pianta è intatta ed in salute emette pochissimi suoni praticamente trascurabili e spesso neanche rilevabili, praticamente resta in silenzio, mentre quando è sottoposta a stress l'ultrasuono è netto, rilevabile ed acuto. L'emissione dei suoni viene prodotta percavitazione, la produzione di piccole bolle all'interno delle piante stressate. Alcune piante sono più "loquaci" di altre, ad esempio il "lamento" del pomodoro è il triplo più frequente del tabacco, ed anche le "motivazioni" sono differenti, ad esempio alcune piante fanno più rumore se hanno poca acqua piuttosto che vengano danneggiate.
Lepiante medicinali sono una fonte primaria dicomposti organici, sia per i loro effetti medicinali e fisiologici, sia per lasintesi industriale di una vasta gamma di sostanze chimiche organiche.[44] Centinaia di medicinali enarcotici derivano dalle piante, sia medicinali tradizionali utilizzati inerboristeria[45][46] sia sostanze chimiche purificate dalle piante o identificate per la prima volta in esse e poi sintetizzate per l'uso nella medicina moderna. I farmaci moderni derivati dalle piante includono l'aspirina, iltaxolo, lamorfina, ilchinino, lareserpina, lacolchicina e lavincristina. Le piante utilizzate in erboristeria includono ilginkgo, l'echinacea, ilpartenio e l'iperico. Lafarmacopea diDioscoride,De materia medica, che descrive circa 600 piante medicinali, fu scritta tra il 50 e il 70 d.C. e rimase in uso in Europa e nel Medio Oriente fino al 1600 d.C. circa; fu il precursore di tutte le farmacopee moderne.[47][48][49]
Per costruire abitazioni e confezionare indumenti vengono utilizzate risorse strutturali e fibre vegetali. Illegno viene utilizzato per costruire edifici, imbarcazioni, mobili e anche per oggetti più piccoli comestrumenti musicali e attrezzature sportive. Il legno viene ridotto inpolpa per produrrecarta ecartone.[55] I tessuti sono spesso realizzati concotone,lino,ramiè o fibre sintetiche come ilrayon, derivate dalla cellulosa vegetale.
Migliaia di specie vegetali vengono coltivate per la loro bellezza e per fornire ombra, modificare le temperature, ridurre il vento, attenuare il rumore, garantire la privacy e ridurre l'erosione del suolo. Le piante sono la base di un'industria turistica multimiliardaria, che comprende viaggi in giardini storici,parchi nazionali,foreste pluviali,foreste con foglie autunnali colorate e festival come quello dei ciliegi in fiore in Giappone.[56]
Lo studio tradizionale delle piante è la scienza dellabotanica.[58] La ricerca biologica di base ha spesso utilizzato le piante comeorganismi modello. Ingenetica, la coltivazione di piante di pisello ha permesso aGregor Mendel di derivare leleggi fondamentali che governano l'ereditarietà,[59] e l'esame dei cromosomi nel mais ha permesso aBarbara McClintock di dimostrare la loro connessione con i tratti ereditari.[60] La piantaArabidopsis thaliana viene utilizzata nei laboratori come organismo modello per comprendere come igeni controllano la crescita e lo sviluppo delle strutture vegetali.[61] Glianelli degli alberi forniscono un metodo di datazione inarcheologia e una registrazione deiclimi passati.[62] Lo studio dei fossili vegetali, opaleobotanica, fornisce informazioni sull'evoluzione delle piante, sulle ricostruzionipaleogeografiche e sui cambiamenti climatici del passato. Anche i fossili vegetali possono aiutare a determinare l'età delle rocce.[63]
Le piante, compresi gli alberi, compaiono nella mitologia, nella religione e nella letteratura.[64][65][66] In numerose religioniindoeuropee, siberiane e dei nativi americani, l'albero del mondo è raffigurato come un albero colossale che cresce sulla terra, sostiene i cieli e le cui radici si estendono fino agliinferi. Le forme dell'albero del mondo includono l'albero archetipico della vita, che a sua volta è collegato al concetto eurasiatico dell'albero sacro.[67]
I fiori sono spesso utilizzati come segno di commemorazione, come regalo e per celebrare occasioni speciali come nascite, decessi, matrimoni e festività. Le composizioni floreali possono essere utilizzate per inviaremessaggi nascosti .[68] Le piante e in particolar modo i fiori costituiscono i soggetti di molti dipinti.[69][70]
Lepiante infestanti sono piante indesiderabili dal punto di vista commerciale o estetico che crescono in ambienti gestiti come i campi coltivati e i giardini.[71] L'uomo ha diffuso molte piante oltre i loro habitat nativi; alcune di queste piante sono diventateinvasive, danneggiando gli ecosistemi esistenti soppiantando le specie autoctone e talvolta diventando gravi infestanti della coltivazione.
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