Quando le piante si sono spostate sulla terraferma e hanno cambiato il pianeta Understand article

Le piante oggi sono estremamente diversificate, abbondanti e appariscenti. Tuttavia, le prime piante terrestri, che hanno avviato un grande cambiamento nella flora e nella fauna del pianeta Terra, erano molto differenti.

Agli inizi dell’era Paleozoica, 500 milioni di anni fa, la superficie della Terra era comperta d’acqua e nuda roccia ed era inabitabile per le forme di vita moderne. L’atmosfera conteneva 20 volte più anidride carbonica, ma solo metà dell’ossigeno odierno. Per i grandi animali che vivono oggi sulla Terra, queste condizioni sarebbero state ostili – i mitocondri, la centrale energetica del corpo, hanno bisogno di ossigeno per produrre energia per la vita. Durante l’era Paleozoica, non c’era abbastanza ossigeno per soddisfare queste necessità energetiche e perciò gli animali del Paleozoico inferiore erano piccoli. Essi, inoltre, vivevano soprattutto in ambienti acquatici, perché l’acqua schermava la dannosa radiazione ultravioletta (UV). Lo strato di ozono che oggi ci protegge dalla radiazione ultravioletta ha bisogno di ossigeno per formarsi. Tutto inizia con un processo chiamato fotolisi, nel quale i due atomi di ossigeno che compongono una molecola di ossigeno (O2) vengono separati dall’energia luminosa. Quindi, un singolo atomo di ossigeno si combina con un’altra molecola O2 e forma l’ozono (O3):
O + O2 → O3
Nel Paleozoico inferiore non c’era abbastanza ossigeno per permettre la formazione dell’ozono.

La fotosintesi terrestre innalzò i livelli atmosferici di ossigeno

287 milioni di anni più tardi, verso la fine dell’era Paleozoica, animali di medie dimensioni prosperavano sia in habitat acquatici che terrestri. Cos’era cambiato?

L’evoluzione di grandi animali terrestri era stata resa possibile dalla diminuzione dei livelli di anidride carbonica atmosferica e dall’accumulo di ossigeno atmosferico attraverso la fotosintesi, un processo con cui organismi dotati di cloroplasti possono convertire l’anidride carbonica e l’acqua in glucosio e ossigeno, usando l’energia della luce solare. All’inizio del Paleozoico, la fotosintesi era fatta da cianobatteri e alghe verdi che vivevano in acqua. Le alghe verdi erano organismi unicellulari, coloniali o filamentosi, che non avevano le caratteristiche per sopravvivere fuori dall’acqua. A causa delle loro piccole dimensioni e dell’immersione in acqua, dove l’anidride carbonica e la luce solare sono meno abbondanti, la loro attività fotosintetica è modesta.

Circa 480 milioni di anni fa si è verificata un’importante transizione che ha facilitato la fotosintesi sulla Terra – alcune alghe d’acqua dolce (carofite) hanno sviluppato delle caratteristiche che hanno permesso loro di vivere fuori dall’acqua. Come risultato, hanno avuto accesso a più luce solare e anidride carbonica e hanno potuto fotosintetizzare in modo più efficiente, producendo più ossigeno. Le prime piante capaci di vivere sulla terraferma avevano delle strutture simili a radici, chiamate rizoidi, per ancorarsi al terreno e uno strato superficiale ceroso impermeabile (una cuticola) che le proteggeva dal disseccamento. Molte delle prime piante terrestri si sono successivamente estinte, ma dalla documentazione fossile è chiaro che erano piccole e prive di gambi, radici, foglie e fiori.

Che aspetto avevano le prime piante?

Dopo la comparsa dell’ultimo antenato comune di tutte le piante terrestri, da questo si sono evoluti due gruppi distinti – le piante vascolari e le piante non vascolari. Il primo gruppo comprende la gran parte della biomassa odierna della Terra ed è caratterizzato dalla presenza di un sistema di vasi conduttori che trasportano l’acqua dalle radici fino alle parti aeree della pianta.  Questo permette alle piante di crescere molto in altezza. Poche centinaia di milioni di anni dopo, si sono evolute alcune piante vascolari con fiori e queste sono diventate le piante fiorite così familiari oggi.

Le piante non vascolari, d’altro canto, crescono vicino al terreno e in ambienti umidi, perché utilizzano un processo meno efficiente di diffusione e azione capillare per la distribuzione dell’acqua. Questi due gruppi di piante terrestri hanno seguito ciascuno i propri percorsi evolutivi a velocità differenti.^[3] Il clade delle piante terrestri non vascolari ancora esistente è detto delle briofite.

Poiché, nel corso della loro evoluzione, le briofite hanno mantenuto più caratteri ancestrali (cioè sono cambiate meno) rispetto alle piante vascolari, i ricercatori le studiano per capire quali adattamenti fondamentali hanno dovuto sviluppare per consentire la transizione dall’acqua alla terraferma. Le due specie più studiate sono il muschio Physcomitrium patens e l’epatica Marchantia polymorpha.^[4] A meno che non troviamo dei fossili che dimostrino il contrario, queste briofite potrebbero fornirci la raffigurazione più attendibile che possiamo avere delle prime piante terrestri. I loro habitat selvatici sono umidi e spesso temperati – potreste incontrarle sulle rive dei ruscelli o al margine di specchi d’acqua. Questa dipendenza dagli amienti umidi per la crescita e la riproduzione è inestricabilmente collegata alla loro origine acquatica.

I primi adattamenti alla vita sulla terraferma

Per l’insufficienza della documentazione fossile e per la nostra attuale incapacità a collegare i fossili disponibili a gruppi primitivi di piante terrestri, non sappiamo con certezza quale fosse l’aspetto dell’antenato comune delle piante terrestri. Tuttavia, attraverso lo studio delle briofite, noi sappiamo che i seguenti adattamenti sono stati tra i primi a evolvere per permettere alle piante di prosperare e riprodursi rapidamente sulla terraferma.^{[2, 5]} Alcuni di questi sono condivisi oggi da tutti i gruppi di piante terrestri, altri sono stati perduti da alcuni gruppi nel corso del tempo.

• Nelle carofite, dopo la fertilizzazione delle cellule uovo da aprte delle cellule spermatiche, lo zigote si stacca dall’alga genitrice e viene disperso nell’acqua, che lo trasporta fino ad un luogo dove impiantarsi e crescere formando una nuova pianta. In tutte le piante terrestri, invece, lo zigote diventa un embrione pluricellulare che viene trattenuto all’interno della pianta madre. In Marchantia, l’embrione si sviluppa sotto le “dita” della struttura riproduttiva ombrelliforme femminile, sollevata al disopra della pianta da uno stelo.

• Nelle prime piante terrestri, l’embrione diploide si divideva attraverso la meiosi per produrre un gran numero di spore aploidi geneticamente differenti. Le spore sono unità riproduttive unicellulari che vengono disperse in gran numero e originano piante aploidi attraverso la mitosi.  Sulla terraferma, dove non è possibile la fertilizzazione facilitata dall’acqua, questo meccanismo assicurava la produzone di un gran numero di discendenti geneticamente differenziati. La fertilizzazione per produrre un nuovo embrione diploide avviene solo dopo che la pianta aploide matura e sviluppa organi sessuali riproduttivi.

Oggigiorno, tutte le briofite e alcuni gruppi di piante vascolari, come le felci, si riproducono ancora per mezzo di spore. I semi, che sono unità riproduttive diffusive pluricellulari, si sono evoluti solo più tardi nella discendenza delle piante vascolari.

• Le piante terrestri hanno evoluto i flavonoidi, molecole metaboliche secondarie che si accumulano nel tessuto superficiale delle piante e assorbono la radiazione UV. In mancanza di acqua per filtrare la luce UV, agiscono come una “crema solare” che protegge dai danni al DNA provocati dalla radiazione UV.
• Tutte le piante terrestri hanno meristemi con cellule staminali che permettono loro di crescere in una direzione precisa per esplorare l’ambiente circostante. Le cellule staminali possiedono piani di divisione multipli, permettendo la crescita in tre dimensioni e lo sviluppo di organi specializzati stratificati. I meristemi, perciò, permettono alle piante terrestri di diriere la propria crescita in un ambiente che è molto più variabile spazialmente di quello acquatico.
• Tra gli organi specializzati ci sono pori aerei, o stomi, che facilitano lo scambio di anidride carbonica e ossigeno senza bisogno dell’acqua come mezzo di trasporto.
• Le prime piante terrestri hanno sviluppato strutture radicali, cioè organi o cellule specializzati per l’ancoraggio e l’assorbimento di acqua e nutrienti. Queste strutture sono semplici rizoidi nelle piante non vascolari, radici stratificate nelle piante vascolari.
• Le piante terrestri hanno sviluppato rapporti simbiotici con i funghi per facilitare l’assorbimento di nutrienti come il fosforo, che è fondamentale per la crescita delle piante. I funghi potevano scomporre i minerali dalla roccia nuda del Paelozoico e fornire elementi essenziali alle piante, in cambio di carboidrati e grassi.

Con queste caratteristiche essenziali, le piante hanno acquisito la capacità di sopravvivre sulla terraferma. Quello che è seguito è stata la rapida evoluzione e perfezionamento di strutture incredibili, come lunghi steli, fiori, succulenza, carnivorismo e altri per conquistare gli ambienti terrestri e vivere e riprodursi in fitte comunità senza bisogno di molta acqua. Con l’evoluzione del polline, che viene disperso dal vento e dagli impollinatori invece che dall’acqua, alcuni gruppi di piante si sono davvero separati dalla loro ascendenza acquatica.

L’aumento dell’ossigeno atmosferico a causa della proliferazione delle piante terrestri ha promosso la diversificazione e diffusione degli animali. Non solo una maggior quantità di ossigeno soddisfaceva le loro necessità energetiche, ma ha consentito anche la formazione dello strato protettivo di ozono. Successivamente sono diventate dominanti le piante con fiore, che continuano a fornirci l’ossigeno che ci serve per vivere. Senza di loro, e dei loro antenati privi di fiori, probabilmente il nostro pianeta sarebbe molto differente.

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