BOTANICA SISTEMATICA Alessandro Petraglia Corso di Laurea - Biologia Ecologica Lezione 1 –...

BOTANICA SISTEMATICA

Alessandro Petraglia

Corso di Laurea - Biologia Ecologica

Lezione 1 – Fondamenti generali

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La BOTANICA è la scienza cheassomma le conoscenze relative

al mondo dei vegetali

La BOTANICA SISTEMATICA è la scienza che haper oggetto la DIVERSITA’ dei vegetali

La SISTEMATICA è lo studiocomparativo degli organismi

e delle loro variazioni

Oggetto della sistematica è lo studio della variabilitàe la ricerca dei gruppi di diversità naturali

Fondamenti generali

La molteplicità delle forme di vitaè difficilmente quantificabile

500.000 specie vegetali

Oltre 2.000.000 di specie animali

Tale ricchezza di forme non si

manifesta come un continuum, ma con gruppi di individui affini più o meno chiaramente delimitati l’uno dall’altro

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Tem

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Divergenza

hirsuta L.

Planta L.

glabra DC.

1 a2 cb

Modello di gruppo ipotetico di piante affini

Individuare queste discontinuità è alla base dell’individuazione dei gruppi di individui affini e, quindi, di un sistema di inquadramento gerarchico dei viventi

Questi limiti sono determinati da lacune morfologiche e, quindi, da discontinuità

Fondamenti generali

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La nascita della moderna tassonomia risponde alla necessità di

Ordinare i viventi in un sistema di classificazione univoco

Semplificare, dando origine a categorie omogenee

La TASSONOMIA è lo studio teoretico della classificazione, incluse le sue basi, i principi, le procedure e le leggi

La TASSONOMIA è la scienza della classificazione

Fondamenti generali

Le due scienze concorrono a costruire un sistema che consenta di avere una percezione sintetica della diversità dei viventi

La TASSONOMIA si preoccupa di costruire un sistema di classificazione formato da GRUPPI GERARCHICI detti

Mentre la sistematica individua in natura gruppi reali e concreti ( = unità sistematiche = gruppi di diversità), la tassonomia stabilisce, per mezzo di norme, entità convenzionali ( = unità tassonomiche) per la gestione delle informazioni.

TAXA

entro cui inserire, attraverso le regole di nomenclatura, le unità sistematiche

Fondamenti generali

Quali operazioni bisogna effettuare per organizzare i gruppi di individui affini in modo scientifico e universalmente valido?

Cercano di dare una risposta a queste domande

1. Biologia della riproduzione

2. Genetica

3. Teoria dell’evoluzione

4. Sistematica e filogenetica

5. Classificazione e nomenclatura

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Divergenza

hirsuta L.

Planta L.

glabra DC.

1 a2 cb

Quali modalità di riproduzione e moltiplicazione si sono sviluppate negli organismi viventi?

Come si può spiegare la graduale somiglianza degli organismi viventi e da questa trarre conclusioni sulla filogenesi?

Quali sono le basi dell’affinità e della variazione nell’ambito delle popolazioni e come si determinano isolamento e discontinuità?L’origine dei gruppi affini è il risultato della differenziazione parentale nel corso della filogenesi? Quali processi possono spiegare il fenomeno?

Fondamenti generali

Biologia della riproduzione – Riproduzione e moltiplicazione

Tutti i processi vitali degli organismi sono finalizzati alla conservazione della specie

Modalità riproduttive

Moltiplicazione, crescita e diffusione

Vegetativa (asessuata)

Duplicazione del genotipoMitosiDivisione cellulare

discendenti con genotipo identicocloni

Generativa (sessuata)

MeiosiGametogenesi (cellule germinali n)Fusione dei gameti

ricombinazione del patrimonio genetico parentale

Biologia della riproduzione

Genetica – Affinità e variazione

Genetica

La base molecolare dell’ereditarietà è costituita, in tutti gli esseri viventi, dal DNA

L’informazione ereditaria contenuta nel DNA diviene attiva mediante la sua capacità di guidare la sintesi delle proteine e, di conseguenza, di tutti i processi vitaliL’aspetto di ciascun individuo

(fenotipo) risulta dalla continua interazione tra le informazioni contenute nel genotipo e l’ambiente esterno

L’informazione genetica si trasmette mediante le cellule germinali o la riproduzione vegetativa

Le basi concrete dell’affinità sono da ricercare nelle linee germinali a livello di cellule o di organismi

Genetica

Il mantenimento del legame genetico fra una generazione e quella successiva è garantito dalla trasmissione delle cellule germinali e del patrimonio ereditario in esse contenuto

Tutti gli individui fra cui avviene una trasmissione di patrimonio genetico ereditario sono quindi affini geneticamente e costituiscono una POPOLAZIONE

La trasmissione del materiale genetico passa attraverso meccanismi nei quali, per vari motivi, possono avvenire “cambiamenti” dell’informazione trasmessa

Questi cambiamenti sono alla base della variazione presente all’interno di individui affini appartenenti alla stessa popolazioni e sono le stesse forze che guidano la formazione di nuove “affinità” in popolazioni differenti

Teoria dell’evoluzione – Formazione dei gruppi di individui affini

Teoria dell’evoluzione

Da un punto di vista storico le popolazioni rappresentano delle comunità parentali fra cui intercorre un nesso spazio-temporale

In queste comunità il genotipo (e il fenotipo) variano gradualmente in seguito a modificazioni del patrimonio ereditario o in seguito alle forze della selezione naturale

Questa “novità” post-darwiniana conduce ad una nuova visione dello sviluppo delle popolazioni e all’interpretazione dell’origine delle specie secondo linee filetiche (o filogenetiche)In altre parole, assumono un ruolo fondamentale le linee di derivazione dei differenti taxa

L’insorgere di barriere di varia natura determina l’interruzione degli incroci e la disgregazione delle comunità parentali

L’impossibilità di effettuare incroci tra individui della stessa popolazione è la “driving force” principale ed iniziale che determina l’insorgere di discontinuità


L’affinità filogenetica più o meno stretta è determinata dall’interruzione più o meno antica delle connessioni delle linee germinali fra le comunità parentali

Le stirpi (o comunità affini) attuali sono riunite tramite stirpi ancestrali che risalgono ad un passato remoto in una gerarchia spazio-temporale del tutto concreta

Attraverso la filogenesi è possibile risalire ai momenti di separazione cercando di comprendere quali siano stati i momenti e le cause dell’interruzione della connessione delle linee germinali delle comunità parentali

Questa tesi viene oggi generalmente riconosciuta come

Divergence

Tim

e

TEORIA DELL’EVOLUZIONETEORIA DELL’EVOLUZIONE


L’affinità filogenetica più o meno stretta è determinata dall’interruzione più o meno antica delle connessioni delle linee germinali fra le comunità parentali

Le stirpi (o comunità affini) attuali sono riunite tramite stirpi ancestrali che risalgono ad un passato remoto in una gerarchia spazio-temporale del tutto concreta

Attraverso la filogenesi è possibile risalire ai momenti di separazione cercando di comprendere quali siano stati i momenti e le cause dell’interruzione della connessione delle linee germinali delle comunità parentali

Questa tesi viene oggi generalmente riconosciuta come

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TEORIA DELL’EVOLUZIONETEORIA DELL’EVOLUZIONE

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Sistematica e filogenetica – Somiglianza ed origine dei gruppi affini

Sistematica e filogenetica

Non abbiamo alcuna via di accesso immediata alle relazioni storiche di parentela risalenti al passato remoto delle stirpi e conseguentemente alla loro formazione e alla filogenesi degli organismi viventi

Come procedere

Somiglianza…

Se si somigliano condividono parte del patrimonio genetico!!

Leguminosae

Affinità


Affinità

Somiglianza…

Se si somigliano e condividono parte del patrimonio genetico…

Le somiglianze possono originarsi anche casualmente o in seguito all’adattamento a condizioni di vita simili

Euphorbia obesa Hook. Astrophytum asterias (Zucc.) Lem.


Deduzioni circa il grado di parentela ricevono un certo fondamento soltanto mediante l’analisi di più caratteri contemporaneamente

Caratteristiche morfologiche macro e microscopicheCaratteristiche fisiologico-ecologiche

Caratteri molecolari (DNA)

Confrontare tutte queste informazioni è il compito della SISTEMATICA FILOGENETICA grazie alla quale è possibile determinare e delimitare le somiglianze tra le specie (o, meglio, tra le stirpi) attuali e comprendere (o, almeno, effettuare ipotesi solide) i rapporti di parentela tra le stesse e le specie del passato

La SISTEMATICA FILOGENETICA porta, dunque, all’interpretazione storico-causale delle specie attuali e del loro piano costitutivo


Quali sono i processi per raggiungere un tale ambizioso risultato?

Divergence

Tim

e

GRADO DI AFFINITA’

FILOGENESI DELLE STIRPI

E’ determinato dai rapporti genealogici e filogenetici più o meno stretti, cioè dalla più o meno tarda separazione dei collegamenti fra linee germinali in seguito alla costituzione di barriere alla riproduzione

Disegnare un albero filogenetico…

E’ la base della sistematica filogenetica. I caratteri sistematici sono fondamentalmente dei concetti relativi ad organi omologhi, strutture, modalità di comportamento. Il valore sistematico dipende dal loro grado di fissazione genetica così come dalla loro funzione (i caratteri adattativi, ad esempio, hanno minor valore in quanto fortemente modificati dalla selezione naturale). I caratteri che dipendono meno dalla selezione o dall’ambiente avranno un maggior valore sistematico

ANALISI COMPARATA DEI CARATTERI

VALUTAZIONE FILOGENETICA DEI CARATTERII caratteri selle specie possono essere primitivi o PLESIOMORFI, cioè propri delle stirpi originali, oppure possono essere derivati o APOMORFI, cioè caratteri acquisiti dalle stirpi figlie. Le ramificazioni dell’albero genealogico si possono descrivere in base a divergenze di caratteri primitivi e derivati (plesiomorfismi ed apomorfismi)

Classificazione e nomenclatura


La SISTEMATICA fornisce gli elementi per individuare le discontinuità e “delimitare” le specie

La TASSONOMIA, invece, al fine di costruire un sistema gerarchico di classificazione, deve unire in base alle somiglianze

Per la classificazione viene adottato un sistema astratto di categorie

A seconda della loro collocazione gerarchica le stirpi concrete vengono associate ad un determinato livello gerarchico In tal modo divengono TAXA e

ricevono nomi scientifici latini secondo determinate regole


Nel sistema delle piante vengono impiegati livelli gerarchici o categorie tassonomiche obbligatorie. Si tratta di concetti vuoti ed “astratti”, ai quali vengono assegnate determinate collocazioni nell’ambito di una gerarchia

I taxa e la loro gerarchia, che assieme costituiscono il sistema tassonomico, devono esprimere in un certo qual modo la delimitazione e l’affinità delle stirpi

PRINCIPALI CATEGORIE TASSONOMICHE

REGNO

DIVISIONE

CLASSE

ORDINE

FAMIGLIA

GENERE

SPECIE

PlantaeMagnoliophytaLiliopsida

OrchidalesOrchidaceaeOphrys

Ophrys apifera Hudson


L’unità tassonomica di base della biologia è la

SPECIE

Ernst Mayr (1942)

Le specie biologiche sono gruppi di popolazioni naturali attualmente interfeconde che sono riproduttivamente isolate da altri

Ernst Mayr (1969, 1982)

La specie è una comunità di popolazioni interfeconde, riproduttivamente isolate da altre, che occupano una specifica nicchia in natura altri

Nella concezione di Mayr la specie biologica costituisce pertanto

Una comunità riproduttivaUna unità genetica

Una unità ecologica


Tentiamone alcune definizioni…

Insieme di individui morfologicamente simili tra loro più di quanto non siano simili ad altri individui, per caratteri geneticamente fissati e trasmissibili alla discendenza

APPROCCIO SISTEMATICO

Insieme di popolazioni interfertili fra loro e isolate riproduttivamente dalle altre.Lo scambio genetico può essere attuale o potenziale

APPROCCIO BIOLOGICO

Insieme di individui che condividono il medesimo sistema riproduttivo ed usano segnali visivi, acustici o chimici per il mutuo riconoscimento

APPROCCIO RIPRODUTTIVO

Complesso di popolazioni che occupano una specifica nicchia in natura

APPROCCIO ECOLOGICO

Complesso di popolazioni monofiletice che evolvono in modo unitario

APPROCCIO FILOGENETICO

Le moderne teorie evoluzioniste sono portate a considerare la specie come un gruppo di esseri viventi in continuo sviluppo e

mutazione


La specie non è altro che una categoria artificiale, astratta come gli altri livelli della classificazione, inventata dall’uomo per schematizzare una realtà che è in continuo mutamento

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Divergenza

hirsuta L.

Planta L.

glabra DC.

1 a2 cb

Tale ricchezza di forme non si manifesta come un continuum, ma con gruppi di individui affini più o meno chiaramente delimitati l’uno dall’altro

Individuare queste discontinuità è alla base dell’individuazione dei gruppi di individui affini

Questi limiti sono determinati da lacune morfologiche e, quindi, da discontinuità

Sorge un problema…

Come distinguo le specie tra di loro?

In assenza di lunghe e laboriose prove sperimentali sulla compatibilità genetica delle popolazioni è molto difficile definire i limiti naturali di una specie biologica soprattutto nei casi in cui l’incompatibilità tra le popolazioni è solo parziale oppure in quei casi in cui esiste una semidiscontinuità territoriale tra le popolazioni


Typha sp.pl.

Infiorescenza ♂

Infiorescenza ♀

Il concetto di specie morfologica si rivela nella maggior parte dei casi sufficientemente funzionale: la specie viene definita sulla base delle caratteristiche morfologiche che la distinguono dalle altre.


Definito il concetto di specie diviene necessario elaborare un sistema nomenclaturale che permetta la massima precisione nella trasmissione delle nozioni tecnico-scientifiche

Trasmettere le informazioni agli altri, ad esempio, i risultati di una ricerca

Nel linguaggio comune ogni pianta può essere individuata con un nome più o meno preciso: ad esempio "un albero", oppure "un'erba che si mangia", "un arbusto che fa dei fiori rosa", "un faggio” ecc.,.

- erba = migliaia specie appartenenti alla famiglia delle Poaceae

(Graminaceae)

- quercia = genere Quercus sp. pl.

- erba di S. Giovanni = Achillea millefolium L., Hypericum perforatum L.

- faggio = Fagus sylvatica L.

Accedere a una serie di informazioni sulle caratteristiche specifiche dell’entità in studio


Ogni specie è designata da un BINOMIO LATINO

Il binomio è composto da un sostantivo che designa il GENERE e da un epiteto che indica la SPECIE

Il nome generico è unico: ad ogni nome corrisponde uno ed un solo genere

L’epiteto specifico può essere utilizzato per piante diverse

Di conseguenza ogni specie deve essere sempre indicata con l’intero binomio latino e non con il solo epiteto specifico

Hibiscus palustris L.

Genere

Epiteto specifico

Autore

Lettera maiuscola!!!


E’ accaduto che

la stessa specie fosse descritta da due autori diversi con nomi diversi

diversi autori utilizzassero lo stesso binomio per indicare specie diverse

Per ovviare a questo “inconveniente” è stato adottato il principio di priorità in base al quale per ogni specie è valido solo il primo nome attribuito e, parallelamente, per ogni nome è valido solo il primo uso che ne è stato fatto

Per ovviare a confusioni ogni volta che si cita un binomio latino è bene accompagnarlo con il nome dell’autore da cui è stato introdotto

“Intesa nel senso che a questo binomio ha dato Linneo”

Hibiscus palustris L.


Generalità sui sistemi di classificazione

Chiamiamo sistema una struttura logica di cui ci serviamo per organizzare in classi un qualsiasi insieme di oggetti

Nel sistema di classificazione delle piante gli individui sono riuniti in specie, le specie in generi, i generi in famiglie ecc.

Si dice taxon ogni gruppo sistematico, indipendentemente dal suo rango

I sistemi di classificazione usati comunemente nella biologia moderna sono sistemi gerarchici

Con questo termine si intende dire che in tali sistemi i taxa sono stratificati, da un livello elementare a livelli via via più alti e più comprensivi


Dato un insieme di specie esistono infiniti modi di organizzarle in un sistema

La struttura del sistema dipende in primo luogo dalla logica seguita, ma dipende anche dallo scopo che il sistema si prefigge

Definiremo SISTEMI ARTIFICIALI quei sistemi che riuniscono le piante seguendo un criterio “di comodo”, scelto arbitrariamente dal classificatore per uno scopo applicativo

Definiremo SISTEMA NATURALE ogni sistema che si prefigga di individuare rapporti di affinità intrinseca tra le specie


Verso la metà del Settecento una pietra miliare fu posta dal naturalista svedese Carl von Linné (1707-1778), che fu il primo teorico della biologia sistematica

Linneo considerava “il sistema” soprattutto come uno strumento per giungere alla identificazione degli organismi.

Nella “Philosophia botanica” (1770) egli scriveva

“Il filo di Arianna della botanica è il sistema, senza il quale la conoscenza delle piante cade nel caos”

Il sistema di classificazione linneano trova la sua definitiva codifica nell’opera “Species plantarum” (1753)

E’ all’interno di questa opera che troviamo la prima codifica del “nome scientifico”

NOMENCLATURA BINOMIA


DIVISIONE

CLASSE

ORDINE

FAMIGLIA

Magnoli - ophyta

Lili - opsida

Orchid - ales

Orchid - aceae

SOTTODIVISIONE

Magnoli - ophytina

I nomi dei taxa superiori al genere vengono derivati dal nome di un genere che vi è compreso, apponendo un suffisso appropriato, secondo lo schema seguente, costruito sull’esempio del genere ORCHIS


Linneo, che codificò per primo anche l’uso della categorie FAMIGLIA e CLASSE, riconobbe che la caratteristica principale della specie consiste nel mantenersi uguale a se stessa nel tempo

Mentre dal punto di vista biologico il concetto di specie è cambiato radicalmente, dal punto di vista nomenclaturale e formale la struttura linneana viene mantenuta ancora oggi, in virtù della sua efficienza e praticità

?Cosa è cambiato

Fissità delle specieFilogenesi

Sistematica

Finalità del sistema

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