Name: plant adaptations for land life
Uploaded: 2019-01-29T11:04:46.000Z
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Ecosystems: Interactions, Energy And Dynamics

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Plant Diversity

Prima che le piante colonizzassero la terra dal mare, i continenti erano aridi. Ora milioni di specie di microbi, piante e animali vivono sulla terraferma, ed è stata l'evoluzione delle piante terrestri che ha reso possibile tutto questo. Per comprendere questa sconcertante trasformazione, dobbiamo capire cosa sono esattamente le piante e come si sono evolute per affrontare le sfide della vita sulla terraferma. 
Ci sono alcune caratteristiche che tutte le piante condividono, dagli alberi più alti al muschio più piccolo. Innanzitutto, tutte le piante sono eucarioti multicellulari. In secondo luogo, le piante producono il pigmento fotosintetico clorofilla in organelli chiamati cloroplasti, che consentono loro di produrre il proprio cibo utilizzando l'energia del sole. In terzo luogo, tutte le piante hanno celle circondate da pareti di cellulosa. Infine, tutte le piante hanno un ciclo vitale caratterizzato dall'alternanza delle generazioni, definita come il passaggio tra gli stadi multicellulari aploidi e diploidi nel corso del ciclo vitale. Qui, le generazioni si riferiscono a due diverse fasi multicellulari del ciclo di vita. Una fase è il gametofito aploide. Il gametofito produce gameti per mitosi, che si fondono durante la fecondazione per formare una cellula diploide, che poi subisce la mitosi per svilupparsi in uno sporofito. Lo sporofito, a sua volta, produce spore aploidi per miosi, completando il ciclo dando origine a nuovi gametofiti. 
Sebbene tutte le piante condividano queste caratteristiche, ci sono forti differenze tra i diversi lignaggi vegetali nel modo in cui alcune di queste caratteristiche si esprimono. Esaminiamo questa diversità. Le piante terrestri si dividono in tre gruppi principali, le piante non vascolari, le piante vascolari senza semi e le piante da seme. Ognuno di questi gruppi contiene molte migliaia di specie. 
I muschi appartengono alla divisione Bryophyta. Queste piante relativamente semplici hanno tre caratteristiche principali, una mancanza di tessuto vascolare, il gametofito è la fase dominante di vita libera del loro ciclo di vita e lo sporofito è piccolo, non ramificato e dipendente dal gametofito per la nutrizione. 
Il successivo grande gruppo di piante terrestri ad evolversi furono le piante vascolari senza semi, rappresentate qui dalla divisione Monilophyta. Questo gruppo comprende le felci e gli equiseti. Queste piante hanno un vero tessuto vascolare ma non producono semi come le altre piante vascolari. Lo sporofito è dominante e ramificato con una cuticola cerosa e pori fogliari chiamati stomi che regolano lo scambio gassoso. Il gametofito è molto più piccolo, ma vive libero nella maggior parte dei membri di questo gruppo. Sia le spore di felce che lo sperma richiedono acqua liquida per la dispersione. Gli estesi apparati radicali e i tessuti vascolari sono innovazioni chiave nelle piante vascolari senza semi che forniscono supporto strutturale e consentono un'efficiente raccolta dell'acqua dal suolo. 
Le piante da seme sono state il successivo grande gruppo ad evolversi. Ci sono due lignaggi principali in questo gruppo, le gimnosperme e le angiosperme. Sebbene differiscano in molti dettagli, tutti i semi di gimnosperme e angiosperme sono costituiti da un embrione e da una riserva di cibo circondata da un guscio protettivo chiamato rivestimento del seme. La riserva di cibo fornisce alla piantina risorse fino a quando non è in grado di nutrirsi da sola. Le gimnosperme includono alberi familiari come pini, abeti rossi e ginkgo. Lo sporofito è la fase dominante del ciclo vitale nelle gimnosperme. I gametofiti sono molto piccoli e crescono su coni maschili o femminili. Il vento trasporta il gametofito maschile, chiamato granuli di polline, ai gametofiti femminili. Dopo la fecondazione, una struttura femminile chiamata ovulo, si sviluppa in un seme. Le angiosperme, o piante da fiore, sono state il successivo gruppo di piante da seme ad evolversi. Questo gruppo è il gruppo di piante più diffuso e ricco di specie, tra cui molte piante e alberi familiari come gigli, querce e mele. Come le gimnosperme, gli sporofiti delle angiosperme sono grandi e vivono liberi e i gametofiti sono molto piccoli e separati in forme maschili e femminili. Ma a differenza delle gimnosperme, diversi animali possono impollinare i fiori oltre al vento, raccogliendo il polline quando visitano i fiori e distribuendolo quando partono per visitare gli altri. Dopo l'impollinazione e la fecondazione, l'ovaio si sviluppa in un frutto che contiene i semi. 
Abbiamo ora completato il nostro tour semplificato della diversità vegetale che ha evidenziato alcuni tratti chiave delle piante, dal tessuto vascolare all'evoluzione dei frutti. Insieme, questi adattamenti hanno permesso alle piante di dominare la maggior parte dei biomi terrestri. In questo laboratorio, indagherai sulla diversità delle piante esaminando campioni provenienti dai diversi principali lignaggi di piante e osservando le loro strutture sia in laboratorio che sul campo.

diversità vegetale

<h4>Dall'acqua alla terra</h4>
Kingdom Plantae è apparso per la prima volta circa 410 milioni di anni fa, quando le alghe verdi sono passate dall'acqua alla terraferma. Anche se impegnativa, questa transizione ha beneficiato i primi colonizzatori in diversi modi. Inizialmente, la maggior parte degli organismi viventi (comprese piante e animali) vivevano nell'oceano, rendendo gli ambienti acquatici affollati e altamente competitivi. Al contrario, la terra era un ambiente relativamente non colonizzato con ampie risorse e pochi o nessun predatore o concorrente. Gli ambienti terrestri offrivano anche più luce e anidride carbonica, necessaria alle piante per crescere e sopravvivere. Di conseguenza, nuove nicchie terrestri erano mature con la possibilità per le prime alghe semi-acquatiche che passarono in ambienti asciutti.
Tuttavia, le forti differenze tra terra e mare rappresentavano una sfida formidabile per le prime specie colonizzatori. Queste sfide hanno portato a molti nuovi adattamenti che hanno portato all'ampia varietà di forme vegetali osservate oggi. L'adattamento alla vita sulla terraferma ha richiesto cambiamenti fondamentali nella struttura, nelle strategie riproduttive, nei meccanismi di alimentazione e difesa delle specie vegetali. Ad esempio, le piante acquatiche generalmente si affidano a un ambiente liquido per l'assorbimento diretto di acqua e sostanze nutritive, la galleggiabilità per il supporto fisico e il trasporto di gameti attraverso l'acqua per la fertilizzazione. Per le piante terrestri, queste strategie sono diventate impossibili. Tali ostacoli alla vita sulla terraferma hanno svolto un ruolo fondamentale nella prima evoluzione delle piante terrestri e continuano a plasmare la loro evoluzione oggi.
Uno dei primi adattamenti fu lo sviluppo di un rivestimento ceroso esterno, chiamato cuticola1. Le cuticole servono a proteggere le piante dall'essiccamento, o dall'essiccazione estrema, intrappolando l'umidità all'interno. Tuttavia, questo adattamento ha impedito lo scambio diretto di gas attraverso la superficie delle piante. Di conseguenza, sulle superfici esterne delle piante si sono sviluppati pori che hanno permesso l'assorbimento dell'anidride carbonica e il rilascio di ossigeno. Questi pori, chiamati stomi, possono essere aperti o chiusi a seconda delle condizioni ambientali. Contraendo le cellule di guardia che circondano gli stomi, le piante chiudono queste aperture durante i periodi di siccità per prevenire un'eccessiva perdita di umidità. Questi adattamenti hanno contribuito a trattenere l'acqua per le piante terrestri. Tuttavia, erano necessarie strutture aggiuntive per facilitare il trasporto di acqua e sostanze nutritive dal suolo alle porzioni superiori della pianta. Di conseguenza, si è sviluppato un tessuto vascolare che non solo serve a trasportare acqua e sostanze nutritive in tutte le aree della pianta, ma può anche fornire supporto strutturale man mano che gli steli diventano più alti e più forti.
Per favorire la riproduzione sulla terraferma, si sono verificati diversi cambiamenti alle strutture e ai meccanismi di fertilizzazione e sviluppo delle piante. In primo luogo, le piante terrestri hanno sviluppato la gametangia, che sono strutture riproduttive che proteggono gameti ed embrioni dall'ambiente ostile al di fuori della pianta. Nei maschi, questa struttura è chiamata anteridi mentre nelle femmine è chiamata archegonia. Per facilitare il trasporto degli spermatozoi dagli anteridi agli ovuli all'interno dell'archegonia, si sono sviluppate diverse strategie. Questi includono gli spermatozoi che nuotano da una struttura all'altra, che vengono trasportati dal vento o che vengono trasportati da impollinatori come api e uccelli. La modalità specifica utilizzata è unica per ogni classificazione di piante. Dopo la fecondazione, le uova vengono trattenute all'interno dell'archegonia per proteggere e nutrire l'embrione in via di sviluppo, o sporofito.
Un altro importante adattamento riproduttivo è stata la generazione di semi. Sebbene non tutte le piante terrestri siano seminate, l'uso dei semi è vantaggioso per molte ragioni. Senza queste strutture, le piante richiedono ambienti umidi per trasportare i gameti da un luogo all'altro. Spesso in tali piante, le spore maschili e femminili hanno all'incirca le stesse dimensioni ed entrambe viaggiano. Tuttavia, le piante con semi contengono generalmente piccole spore maschili adattate ad essere altamente mobili, chiamate granuli di polline. Il polline viaggia verso i gametofiti femminili per depositare lo sperma direttamente nell'ovulo. Una volta avvenuta la fecondazione, si forma un seme che contiene l'embrione della pianta e un apporto di sostanze nutritive. Molti semi hanno anche un rivestimento protettivo e sono in grado di sopravvivere in ambienti asciutti e disperdersi su lunghe distanze. Alcuni possono anche esistere in uno stato dormiente per intervalli di tempo prolungati, "aspettando" che le condizioni ambientali appropriate inneschino la germinazione. Questi adattamenti hanno creato specie vegetali ben adattate alla vita negli ambienti terrestri.
<h4>Principali lignaggi di piante</h4>
Sebbene esistano innumerevoli varietà di piante, tutte possono essere suddivise in uno dei tre gruppi: non vascolari, vascolari senza semi e con semi vascolari. Le piante non vascolari sono le più ancestrali e meno complesse, tra cui muschi, epatiche e hornwort. Poiché queste piante mancano di strutture vascolari e semi e possiedono solo una cuticola sottile o nessuna, dipendono dall'acqua per sopravvivere e riprodursi. Alcune specie possono entrare in dormienza durante i periodi di siccità fino a quando ulteriori piogge non facilitano la crescita o la riproduzione. La mancanza di strutture di supporto in queste piante si traduce in forme generalmente basse, che sembrano abbracciare la superficie su cui stanno crescendo. Per riprodursi, le piante non vascolari rilasciano spermatozoi nudi che devono nuotare attraverso l'acqua circostante fino all'archegonia. Sebbene queste piante possiedano pochissimi degli adattamenti che hanno altri gruppi terrestri, le piante non vascolari sono specializzate per vivere nell'ambiente umido in cui si trovano.
Successivamente, le piante vascolari senza semi includono felci ed equiseto. Questi possono essere trovati in habitat umidi, comunemente nel sottobosco delle foreste pluviali temperate. A differenza delle specie non vascolari, queste piante hanno una cuticola più spessa, stomi funzionanti e tessuto vascolare che consentono loro di crescere più alti e trasportare attivamente acqua e sostanze nutritive. Le felci non hanno semi, ma usano invece le spore per trasportare i gameti attraverso l'umidità dagli anteridi agli archegoni. Di conseguenza, queste specie rappresentano un lignaggio evolutivo intermedio che può vivere in ambienti asciutti, ma richiede condizioni umide per riprodursi.
L'ultimo gruppo, le piante a semina vascolare, comprende tutte le specie rimanenti. Questo gruppo è il più diversificato e occupa la più ampia gamma di habitat2. Tuttavia, tutte le specie sono caratterizzate da diversi adattamenti comuni, tra cui il tessuto vascolare, il polline altamente mobile e i semi. Questo grande gruppo è diviso in due sottogruppi principali, angiosperme e gimnosperme. Le angiosperme comprendono tutte le piante da fiore e da frutto, con polline trasportato dal vento o trasportato dagli impollinatori3-4. Lo sviluppo di fiori e frutti è adattivo per la distribuzione di polline e semi. Molti animali, tra cui api e colibrì, aiutano nel trasporto del polline da un fiore all'altro. La frutta prodotta da questo gruppo è estremamente importante per la dieta di molti animali, compreso l'uomo. Secondo la sua definizione biologica, il frutto include qualsiasi struttura che porta semi e si forma dall'ovaio, comprendendo varietà comunemente note tra cui mele e arance oltre a prodotti come pomodori, avocado e cetrioli. Il consumo o il trasporto di frutta da parte dell'uomo e di altri animali può aiutare a diffondere i semi su grandi distanze. Al contrario, le gimnosperme sono piante non fiorite tra cui conifere, cicadee e alberi di ginkgo. Queste specie producono semi nudi non protetti dai frutti e polline trasportati dal vento. Sia le angiosperme che le gimnosperme costituiscono la stragrande maggioranza delle piante osservate oggi.
Oltre alle specie che si sono evolute naturalmente in un ampio arco di tempo, gli esseri umani hanno partecipato alla selezione artificiale e all'allevamento di molte specie di piante per uso o consumo umano. Ad esempio, la pianta di senape selvatica all'interno del gruppo delle Brassica è stata sottoposta a un'ampia selezione artificiale per produrre cavoli, broccoli, cavoletti di Bruxelles, cavoli, rape, cavolo rapa e cavolfiore. Gli esseri umani hanno anche cambiato il panorama della vita vegetale introducendo specie invasive in aree non autoctone. Tali specie spesso superano gli organismi autoctoni, poiché spesso mancano di concorrenti o predatori naturali nel nuovo ambiente. Un esempio è il kudzu, una pianta di pisello rampicante che cresce rapidamente e si diffonde in modo efficiente. Il kudzu è stato introdotto intenzionalmente negli Stati Uniti orientali dal sud-est asiatico nel tentativo di stabilizzare il suolo e prevenire l'erosione vicino a strade e fattorie. Tuttavia, una volta introdotto, il kudzu ha rapidamente superato le specie autoctone, bloccando la luce e consumando eccessivamente le risorse. Si stima che il kudzu causi oltre 500 milioni di dollari di danni forestali e agricoli ogni anno. L'impatto ecologico di questa e di altre specie invasive è una delle principali preoccupazioni sia per i biologi che per gli economisti.
<h4>Referenze</h4>
<ol class="riferimenti">
	<li>Ziv, C., et al. (2018). "Ruoli multifunzionali della cuticola della pianta durante le interazioni pianta-patogeno". Impianto frontale Sci 9: 1088.</li>
	<li>Gupta, R. e R. Deswal (2014). "Le proteine antigelo consentono alle piante di sopravvivere in condizioni di gelo". J Biosci 39(5): 931-944.</li>
	<li>Jurgens, A., et al. (2012). "Conflitto impollinatore-preda nelle piante carnivore". Biol Rev Camb Philos Soc 87(3): 602-615.</li>
	<li>Thomann, M., et al. (2013). "Le piante da fiore sotto il declino globale degli impollinatori". Tendenze Pianta Sci 18(7): 353-359.</li>
</ol>

Diversità vegetale

Dall'acqua alla terra
Kingdom Plantae è apparso per la prima volta circa 410 milioni di anni fa, quando le alghe verdi sono passate dall'acqua alla terraferma. Anche se impegnativo, questo ...

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plant adaptations for land life

Plant adaptations for land life explain how plants moved from water to land and diversified over time. Kingdom Plantae first appeared about 410 million years ago, when green algae began transitioning from aquatic environments to dry land. That shift was difficult, but land offered more light, more carbon dioxide, and far less competition than crowded oceans.

Life on land forced plants to solve new problems. Aquatic plants can absorb water and nutrients directly from the surrounding liquid, use buoyancy for support, and move gametes through water for fertilization. On land, those strategies no longer worked, so early plants evolved new structures and reproductive methods that shaped the plant forms we see today.

One early change was the cuticle, a waxy outer layer that helps prevent desiccation, or extreme drying. But the cuticle also blocked direct gas exchange. Plants responded by developing stomata, which are surface pores that let carbon dioxide in and oxygen out, and by using guard cells to close those pores during dry conditions and limit water loss.

Plants also needed a way to move water and nutrients upward. Vascular tissue evolved for this job. It transports water and nutrients through the plant and also gives stems support so plants can grow taller and stronger.

Reproduction on land required more protection for gametes and embryos. Terrestrial plants developed gametangia, which are reproductive structures that protect gametes and embryos from the outside environment. Male gametangia are called antheridia, and female gametangia are called archegonia. Sperm may swim, be carried by wind, or be moved by pollinators such as bees and birds, depending on the plant group.

Seeds became another major advantage for many land plants. Seeded plants use small male spores called pollen grains, which carry sperm directly to the egg. After fertilization, the seed forms with a plant embryo, nutrients, and often a protective coat. Many seeds can survive dry conditions, spread long distances, or remain dormant until the right conditions trigger germination.

Modern plants are grouped into three main lineages: non-vascular, vascular seedless, and vascular seeded plants. Non-vascular plants, such as mosses, liverworts, and hornworts, are the most ancestral and least complex. They lack vascular tissue and seeds, have a thin cuticle or none at all, stay low to the ground, and depend on water for survival and reproduction. Their bare sperm must swim through water to reach the archegonia, and some can enter dormancy during dry periods until rain returns.

Vascular seedless plants, such as ferns and horsetails, are found in wet habitats, including the understory of temperate rain forests. They have a thicker cuticle, functioning stomata, and vascular tissue, so they can grow taller and move water and nutrients more efficiently. However, they still do not make seeds, and they need moist conditions to move gametes through water during reproduction.

Vascular seeded plants include the most diverse and widespread plant species. They share vascular tissue, mobile pollen, and seeds, and they are divided into angiosperms and gymnosperms. Angiosperms are flowering and fruiting plants, and their flowers and fruits help move pollen and seeds. Bees and hummingbirds often carry pollen between flowers, and fruits such as apples, oranges, tomatoes, avocados, and cucumbers help spread seeds when animals eat or transport them.

Gymnosperms are non-flowering plants such as conifers, cycads, and ginkgo trees. They produce bare seeds that are not protected by fruit, and their pollen is carried by wind. Together, angiosperms and gymnosperms make up most of the plants seen today. Human activity has also changed plant diversity through artificial selection, as seen in the Brassica group, where wild mustard was bred into kale, broccoli, Brussels sprouts, cabbage, turnips, kohlrabi, and cauliflower. Humans have also introduced invasive species, such as kudzu, which was brought from Southeast Asia to the eastern United States but now outcompetes native plants and causes major damage each year.

Plant Adaptations for Land Life

natural selection

Fitness and Selection in Populations

Fitness and natural selection shape how traits spread through a population over time. Variation in inherited phenotypes gives evolution its raw material. When a trait is heritable and affects survival or reproduction, natural selection can change how common that trait becomes in later generations. Fitness means reproductive success compared with others in the same population. A heritable trait that improves fitness is called an adaptation. Individuals with higher lifetime reproductive success...

artificial selection

Selective Breeding in Dogs and Crops

Artificial selection, also called selective breeding, is the human choice of which plants or animals reproduce. It uses natural variation in a population to produce traits people want. Over many generations, this can create domesticated organisms that look very different from their wild ancestors. Natural selection is a different process, but it helps explain how change happens in nature. In adaptive evolution, differences in traits can lead to differences in survival and reproductive success.

hardy-weinberg and genetic drift

Hardy-Weinberg Tests for Population Change

Hardy-Weinberg tests help scientists check whether a population is changing over time. Because evolution happens slowly and over large areas, researchers often use mathematical models to study it. These models use measurable data and computer simulations to predict how allele frequencies may shift across many generations. The Hardy-Weinberg equilibrium equation is one common model. It was developed independently in 1908 by G. H. Hardy and Wilhelm Weinberg. The equation gives the expected...

evolutionary relationships

DNA Evidence in Evolutionary Trees

DNA evidence helps scientists map evolutionary relationships between living things. Early classification began with Aristotle in the 4th century BC and was later improved during the Renaissance and by Carolus Linnaeus in the mid-1700s. These systems grouped species by physical similarity, such as the presence or absence of a backbone in vertebrates and invertebrates. Traits like a backbone are called synapomorphies, which are shared traits that likely came from a common ancestor. Physical...

plant diversity

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Animal Classification and Adaptation

Kingdom Animalia includes a wide range of organisms that share a few basic traits. Most animals are multicellular eukaryotes that move, consume organic matter, and reproduce sexually. Even with those shared features, animals are extremely diverse because each species adapts to a different niche. A niche is the place, role, and set of interactions a species has with living and nonliving parts of its environment. Specialization helps species survive, reproduce, and reduce competition with others...

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How Scientists Identify Bacteria and Fungi

Bacteria and fungi are highly diverse organisms, and scientists identify them by looking at their structure, growth, and role in health. Some species help people, while others can cause disease, so learning how to tell them apart matters in biology and medicine. Biological taxonomists group organisms by evolutionary relatedness. Life is divided into three domains: Bacteria, Archaea, and Eukaryota. Bacteria belong to the domain Bacteria, which includes single-celled prokaryotes. Prokaryotic...

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Trace how plants adapted from water to land, from cuticle and stomata to vascular tissue, seeds, flowers, and the major plant groups.

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What is an Ecosystem?

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An ecosystem is the interaction between all abiotic and biotic factors in an environment and can be classified as terrestrial or aquatic. ...

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All organisms in an ecosystem occupy a trophic level in the food chain. The lowest level consists of primary producers, which synthesize their food from ...

Primary Production

The total amount of energy acquired by primary producers in an ecosystem is called gross primary production (GPP). However, of this energy, producers use ...

Production Efficiency

Net production efficiency (NPE) is the efficiency at which organisms assimilate energy into biomass for the next trophic level. Due to low metabolic rates ...

Trophic Efficiency

Trophic level transfer efficiency (TLTE) is a measure of the total energy transfer from one trophic level to the next. Due to extensive energy loss as ...

Life Histories

Constrained by limited energy and resources, organisms must compromise between offspring quantity and parental investment. This trade-off is represented ...

Energy Budgets and Reproductive Strategies

Organisms must balance energy intake with the energy required for growth, maintenance, and reproduction. These trade-offs result in a variety of ...

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Population size is dynamic, increasing with birth rates and immigration, and decreasing with death rates and emigration. In ideal conditions with ...

Ecological Niches

All organisms have a position within an ecosystem. The complete set of living and nonliving factors&#x2014;including food resources, climate, and ...

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Ecological succession is influenced by the processes of facilitation, inhibition, and toleration. Facilitation occurs when early successional species ...

Keystone Species

Measures of species biodiversity, such as richness (i.e., the number of species present) and evenness (i.e., their relative abundance), describe an ...

Symbiosis

Symbiotic relationships are long-term, close interactions between individuals of different species that affect the distribution and abundance of those ...

Competition

When organisms require the same limited resources within an environment, they may have to compete for them. Competition is a net-negative interaction. ...

Predator-Prey Interactions

Predators consume prey for energy. Predators that acquire prey and prey that avoid predation both increase their chances of survival and reproduction ...

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What is Biodiversity?

Biodiversity describes the variety of living things at multiple organizational levels: genetic, species and ecosystem diversity. Species diversity ...

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Biodiversity and Human Values

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Use mathematical and/or computational representations to support explanations of factors that affect carrying capacity, biodiversity and populations of ecosystems at different scales. Emphasis is on quantitative analysis and comparison of the relationships among interdependent factors including boundaries, resources, climate and competition. Examples of mathematical comparisons could include graphs, charts, histograms, or population changes gathered from simulations or historical data sets.

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Nitrogen atoms, present in all proteins and DNA, are recycled between abiotic and biotic components of the ecosystem. However, the primary form of ...

The Phosphorus Cycle

Unlike carbon, water, and nitrogen, phosphorus is not present in the atmosphere as a gas. Instead, most phosphorus in the ecosystem exists as compounds, ...

Use mathematical representations to support claims for the cycling of matter and flow of energy among organisms in an ecosystem. Emphasis is on using a mathematical model of stored energy in biomass to describe the transfer of energy from one trophic level to another and that matter and energy are conserved as matter cycles and energy flows through ecosystems. Emphasis is on atoms and molecules such as carbon, oxygen, hydrogen and nitrogen being conserved as they move through an ecosystem.

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Plant Adaptations for Land Life

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