Fisiologia vegetale

La fisiologia vegetale ha per oggetto lo studio delle funzioni dei vegetali a livello macroscopico e microscopico; intendendo per funzione “l'insieme di tutti gli atti coordinati volti al raggiungimento di un risultato ben definito e di un effetto utile” (F.Ghiretti, 1977). Vengono classificati come vegetali tutti gli organismi foto-chemio-autotrofi.

Storia

Comprendre il “meccanismo” di funzionamento dei vegetali è stato uno degli impegni più ardui della conoscenza scientifica. Infatti la prova, che impone l'esperienza comune degli agricoltori e dei giardinieri, che le piante crescono più vigorosamente sui terreni più ricchi di humus, ha suffragato, per millenni, il convincimento che le piante traessero dal suolo i materiali per costituire i propri organi. Nel 1731 Jethro Tull, il geniale agronomo inglese, sostiene che le radichette delle piante operano nel terreno come i villi intestinali degli animali agiscono nell'intestino animale .

Getta tutta la scienza europea nel disorientamento l'esperimento di Val Helmont che ripete, con maggiore rigore sperimentale, Robert Boyle, che dimostra che facendo crescere in un vaso una pianta i cui organi raggiungano, essiccati, un peso cospicuo, il peso della terra del vaso non diminuisce in modo apprezzabile. Analizza le implicazioni dell'esperimento Henri Duhamel du Monceau, uno dei maggiori naturalisti della stagione dell'enciclopedismo francese, che nella Phisique des arbres raccoglie tutte le spiegazioni tentate dai naturalisti coevi dimostrandone l'incapacità a spiegare il fenomeno .

Dobbiamo notare che l'Italia è praticamente assente agli studi che precedono la grande scoperta. L'unico segno di presenza sul terreno della grande indagine è quello di un abate di Teramo quasi sconosciuto, Berardo Quartapelle, che, avendo accompagnato il figlio di un patrizio abruzzese a Pavia, il maggiore centro di studi naturalistici italiani, pubblica, nel 1801, I principi della vegetazione, il risultato delle letture realizzate nell'università patavina, proponendo il quadro più preciso delle conoscenze, ancora disarticolate, alla vigilia della scoperta di De Saussure,.

Nel 1804 Théodore de Saussure pubblica le Réchérches chimiques sur la vegetation, l'opera che propone la spiegazione organica del processo della fotosintesi, il meccanismo secondo il quale nelle foglie si unisce anidride carbonica e acqua per comporre idrati di carbonio. La scoperta è opera di prodigiosa abilità sperimentale, che consente al naturalista ginevrino di operare con esattezza perfetta su quantità dell'ordine di milligrammi. Opera geniale, ma pubblicata da un piccolo editore, il maggiore contributo alle conoscenze sui meccanismi della vita sulla terra non sarà compreso che con grande ritardo. Liebig tradurrà la scoperta del grande ginevrino in scoperta agronomica con quarant'anni di ritardo.. La scoperta è tanto sconvolgente, nei confronti dei convincimenti comuni, suffragati dall'antica scienza peripatetica, che la scienza di retrogradia professerà che le piante si nutrano di carbonio tratto dal suolo fino al terzo quarto dell'Ottocento. Costituiscono esempi emblematici dell'incapacità di comprendere la scoperta di De Saussure, e la sua traduzione agronomica da parte di Liebig, due scienziati italiani, Carlo Berti Pichat e Giuseppe Ottavi, che possono essere considerati gli ultimi “umisti” della retroguardia della scienza europea .

Cronologia sintetica

• Aristotele ma anche il suo allievo Teofrasto, autore del "De causis plantarum", ritennero che le piante traessero dalla terra le sostanze nutritive già direttamenrte assimilabili.
• XVI secolo: Andrea Cesalpino
• J.B. Van Helmont: I vari costituente delle piante sono fabbricati dalla pianta stessa.
• 1758 L. H. Duhamel du Monceau pubblica La phisique des arbres, la rassegna delle conoscenze sull'argomento di un grande enciclopedico
• E.Mariotte Tentò di ricondurre a processi chimici o fisici, la nutrizione e la crescita delle piante.
• S.Hales: Circolazione della linfa e traspirazione delle foglie; scopre la pressione radicale.
• 1772 Priestley: I vegetali “restaurano” l'aria altra scoperta nel 1779
• 1779 Ingenhousz: La luce è necessaria….Le piante respirano ed emettono anidride carbonica.
• 1782 Senebier: Le piante, in presenza di luce, assorbono anidride carbonica e rilasciano ossigeno.
• 1801 Berardo Quartapelle pubblica I principi della vegetazione applicati alla vera arte di coltivar la terra, l'analisi delle cognizioni raggiunte alla vigilia della scoperta di De Saussure
• 1804 De Saussure: Valutazione quantitativa dei fenomeni che avvengono durante la nutrizione.
• 1845 Mayer: Le piante trasformano l'energia luminosa in energia chimica.
• H.Dutrochet: Leggi fondamentali della permeabilità e dell'osmosi
• 1860-1865: Significato della fotosintesi e localizzazione dell'organicazione del biossido di carbonio.
• J.Liebig, J.B.Boussingault: Importanza delle sostanze azotate.
• 1887 H. Helbriegel, H. wilfarth: Fissazione biologica dell'azoto.
• 1900-2005: Fotoperiodicità, sostanze regolatrici dello sviluppo, enzimi. Con l'uso degli isotopi radioattivi, e l'applicazione di altre metodiche, viene chiarito il processo della fotosintesi.

Funzioni

Ricambio dell'acqua

Il vegetale superiore, vincolato all'ambiente, è più di ogni altro vivente, legato al substrato e quindi può assumere le sostanze nutritive alla stato di soluzione. Organi differenti di una stessa pianta contengono quantità diverse di acqua. L'attività metabolica è strettamente dipendente dal suo stato di idratazione. L'assunzione di acqua può avvenire per imbibizione, osmosi. I meccanismi implicati sono i seguenti:

Nutrizione minerale

Le tabelle che seguono, riportano gli elementi nutritivi essenziali, cioè indispensabili allo sviluppo completo della pianta; dal seme all'individuo adulto che produce un'altra generazione di semi.

Macronutrienti. (Necessari in quantità elevate)

Elemento	Disponibile come	Note
Azoto	NO3– NH4+	Acidi nucleici, proteine,ormoni, ecc.
Ossigeno	O2 H2O	Composti organici vari
Carbonio	CO2	Composti organici vari
Idrogeno	H2O	Composti organici vari
Potassio	K+	Cofattore sintesi proteine,bilancio idrico, ecc.
Calcio	Ca2+	Membrane sintesi e stabilizzazione
Magnesio	Mg2+	Elemento essenziale della clorofilla
Fosforo	H2PO4–	Acidi nucleici, fosfolipidi, ATP
Zolfo	SO42–	Costituente di proteine e coenzimi

Micronutrienti. (Necessari in piccole quantità)

Elemento	Disponibile come	Note
Cloro	Cl-	--
Boro	H2 Bo3	--
Manganese	Mn2+	Attiva alcuni enzimi
Zinco	Zn2+	Interviene nella sintesi di enzimi e della clorofilla
Rame	Cu+	Enzimi per la sintesi della lignina
Molibdeno	MnO42-	Fissazione dell'azoto, riduzione dei nitrati
Nichel	Ni2+	Cofattori enzimatici nel metabolismo composti azotati

Lo studio sperimentale dell'assorbimento dei nutrienti avviene con la coltivazione della pianta in soluzione acquosa. A tale scopo sono state definite delle formule di soluzioni nutritizie; ad esempio: le soluzioni di Knop, Van der Crone e Pfeffer. La formula di Hoagland (1933) è fra le più usate.

Equilibrio di membrana (o di Donnan)

Legge di Fick (per calcolare un flusso attraverso un poro): ${\frac {dn}{dt}}=-A_{p}\times D\times {\frac {dc}{dx}}$ dn = n° di moli infinitesimo; dt = tempo infinitesimo; A_p = area poro D = coefficiente d'infusione, dipendente dal tipo di membrana; ${\frac {dc}{dx}}$ = gradiente di concentrazione.

La traspirazione

La traspirazione segue la seguente legge:

$Jv={\frac {RH}{V}}\times \ln {RH}$

dove Jv è il flusso dell'acqua, R = costante dei gas, T = temperatura assoluta misurata in kelvin, RH è l'umidità relativa.

Gli enzimi

Gli enzimi sono definiti come dei catalizzatori biologici, di natura generalmente proteica e ad attività altamente specifica. La reazione chimica generale è la seguente:

$\mathrm {E+S} \;$ $\mathrm {ES} \;$ $\mathrm {E+P} \;$

Dove:

E indica l'enzima

S iindica il substrato ES l'intermedio formato dall'enzima e dal substrato

P il prodotto della reazione

Sede degli enzimi

Nel condrioma sono presenti gli enzimi relativi al ciclo di Krebs

Nei plastidi verdi gli enzimi della fotosintesi

Nel nucleo, ribosomi e citoplasma quelli relativi alla sintesi proteica.

Gli enzimi secreti vengono detti esoenzimi.

Fotosintesi e organicazione del carbonio

Le piante sono organismi autotrofi, con autotrofismo intendiamo la capacità di elaborare i composti organici necessari partendo da elementi minerali semplici e utilizzando una fonte di energia esterna. Il passaggio da composti inorganici semplici a composti organici complessi viene detto organicazione. Le clorofille molecole fotosensibili contenuta nei cloroplasti possiedono un anello tetrapirrolico (porfirina) con, al centro, un atomo di magnesio e una catena laterale fitolica (fitolo).

L'organicazione tipica dei vegetali è la fotosintesi descritta dalla seguente reazione chimica : ${\begin{matrix}&Luce&\\CO_{2}+2H_{2}O&\longrightarrow &(CH_{2}O)+H_{2}O+O_{2}\end{matrix}}$

Reazioni alla luce: gli elettroni promossi per azione della luce, ad un livello energetico superiore vengono convogliati in un sistema di trasporto verso una molecola di trasporto verso una molecola accettrice di elettroni la Ferredodossina. Si ha quindi una doppia possibilità: 1) fosforilazione ciclica con sintesi di ATP. 2) percorso non ciclico con sintesi di un coenzima allo stato ridotto NADPH+H+

Reazioni al buio: Si ha organicazione di $CO_{2}$ e sintesi di glucosio (ciclo di Calvin).

Organicazione dell'azoto

Nella maggior parte dei casi la pianta assimila azoto tramite l'ausilio di batteri. I batteri formano dei noduli sulla radice, in maniera particolare in prossimità dei peli radicali. In questi noduli vengono create delle condizioni anaerobiche le quali permettono agli enzimi deputati alla fissazione dell'azoto di praticare le loro funzioni. Le associazioni simbiontiche in questo caso vengono chiamate "rizobi", ossia associazione tra radice e batteri.

Sintesi delle proteine e degli acidi nucleici

Fissazione dell'azoto molecolare

La resistenza in condizioni sfavorevoli

La germinazione dei semi; Condizioni fisiologiche per la germinazione

Accrescimento e sviluppo

Per sviluppo si intende quell'insieme di processi che, a partire da un elemento indifferenziato,portano allo sviluppo di tessuti ed organi. Questa funzione è prerogativa degli apici vegetativi del fusto e delle radici ed i tessuti del meristema cambiale. In sintesi abbiamo:

Accrescimento elementare:.

Embrionale (meresi)	Aumento numerico delle cellule
Per distensione (auxesi)	Aumento del volume cellulare per assunzione di acqua
Differenziazione	Dall'uguaglianza alla specializzazione delle strutture e delle funzioni

I fattori di accrescimento delle piante: Le auxine

Funzioni delle auxine.

Assorbimento dell'acqua	Allungamento delle cellule nelle piante vascolari, tropismi, nastie
Ingrandimento delle cellule	--
Stimolazione della mitosi	Proliferazione cellulare nel tessuto cambiale
Stimola la produzione di nuove radici	Solo a basse concentrazioni.Alte concentrazioni la inibiscono
Differenziazione vascolare e dello xilema	--
Correlazioni complesse e accrescimento	--
Azioni varie	Sui processi del ricambio, aumento del flusso dei metaboliti verso gli ovari, accelera i processi respiratori ed enzimatici

Studio macroscopico dell'accrescimento

I fattori che influiscono

Tropismi

Geotropismo positivo e negativo. Il fototropismo, Chemiotropismo, geotropismo, idrotropismo, tigmotropismo, eliotropismo.

Fisiologia della fioritura

Generalità, fotoperiodismo, teoria del fitocromo

Movimenti

Movimenti nastici, di curvatura, traslazione o di locomozione (tattismi)

Bibliografia

• Lincoln Taiz, Eduardo Zeiger; Plant Physiology Third Edition. Sinauer Associates, Inc. Publishers (4^a edizione su internet)
• Frank B. Salisbury, Cleon W. Ross; Plant physiology, Wadsworth, 1992. ISBN 0-534-15162-0 undergraduate textbook in plant physiology
• Lambers, H.; Plant physiological ecology, Springer-Verlag, New York 1998. ISBN 0-387-98326-0
• Larcher, W. (2001); Physiological plant ecology 4th ed., Springer ISBN 3-540-43516-6
• Duane Isely, "Julius von Sachs" in One Hundred and One Botanists, Iowa State University Press, Ames, pp 216–219, ISBN 0-8138-2498-2
• Antonio Saltini; Storia delle scienze agrarie, 4 voll., Bologna, 1984-89