Difesa contro l'erbivoro
La difesa contro l'erbivoro descrive le difese delle piante per evitare di essere mangiate. Ci sono molti adattamenti che migliorano la sopravvivenza e la riproduzione delle piante riducendo l'impatto degli erbivori.
Molte piante producono sostanze chimiche che modificano il comportamento, la crescita o la sopravvivenza degli erbivori. Queste difese chimiche possono agire come repellenti o tossine per gli erbivori, o ridurre la digeribilità delle piante. Alcune piante, note come iperaccumulatori, sono specializzate nello stoccaggio di metalli pesanti che sono tossici per gli animali.
Alcune piante favoriscono la presenza di nemici naturali degli erbivori, che a loro volta proteggono la pianta. Alcune piante forniscono una casa per le formiche che difendono fortemente la pianta.
Altre strategie difensive utilizzate dalle piante includono la fuga o l'evitare gli erbivori nel tempo o sul posto. Possono crescere dove le piante non sono facilmente reperibili o raggiungibili dagli erbivori. Possono crescere quando gli erbivori non sono in giro. Gli erbivori possono essere deviati verso parti non essenziali, o una pianta può essere in grado di riprendersi dai danni causati dagli erbivori.
Ogni tipo di difesa può essere sia costitutiva (sempre presente nella pianta), sia indotta (prodotta in reazione a danni o stress causati da erbivori). Le piante possono reagire ai danni e lo fanno.
Storicamente, gli insetti sono stati gli erbivori più significativi, soprattutto le larve degli insetti. L'evoluzione delle piante terrestri è strettamente associata all'evoluzione degli insetti. Mentre la maggior parte delle difese delle piante sono dirette contro gli insetti, si sono evolute altre difese che si rivolgono agli erbivori vertebrati, come uccelli e mammiferi.
Lo studio delle difese delle piante contro l'erbivoro è importante, non solo da un punto di vista evolutivo, ma anche perché queste difese possono essere utilizzate in agricoltura, comprese le fonti di cibo per l'uomo e il bestiame.
L'edera velenosa produce urushiolo per proteggere la pianta dagli erbivori. Negli esseri umani questa sostanza chimica produce un'eruzione cutanea allergica.
Le Guanti della volpe producono diverse sostanze chimiche mortali, ovvero glicosidi cardiaci e steroidei. Mangiare può causare nausea, vomito, allucinazioni, convulsioni o morte.
Difese chimiche specifiche
I prodotti chimici vegetali si sono evoluti per colpire gli insetti. Alcuni di questi percorsi biochimici esistono nei vertebrati, compresi gli esseri umani. Molti prodotti farmaceutici sono ottenuti dai prodotti chimici che le piante usano per proteggersi dagli erbivori. Esempi sono l'oppio, l'aspirina, la cocaina e l'atropina.
Gli alcaloidi pirrolizidici sono prodotti dalle piante come meccanismo di difesa contro gli erbivori degli insetti. Più di 660 PA e PA N-ossidi sono stati identificati in oltre 6.000 piante. Circa la metà di esse presentano epatotossicità, cioè attaccano la funzione epatica.
Evoluzione dei tratti difensivi
Le prime piante terrestri si sono evolute da piante acquatiche circa 450 milioni di anni fa (mya) nel periodo ordoviciano. Queste prime piante terrestri non avevano tessuto vascolare e avevano bisogno di acqua libera per la loro riproduzione. Le piante vascolari apparvero più tardi e la loro diversificazione iniziò in epoca devoniana (circa 400 mya). Hanno avuto adattamenti come rivestimenti protettivi per ridurre l'evaporazione dai loro tessuti.
La riproduzione e la dispersione delle piante vascolari in queste condizioni di secchezza è stata ottenuta attraverso l'evoluzione di strutture di semi specializzati. La diversificazione delle piante da fiore (angiosperme) durante il periodo cretaceo è associata all'improvvisa esplosione di speciazione negli insetti. Questa diversificazione degli insetti ha rappresentato una forza selettiva importante nell'evoluzione delle piante e ha portato alla selezione di piante che hanno avuto adattamenti difensivi. I primi insetti erbivori mordono o masticano la vegetazione; ma l'evoluzione delle piante vascolari porta alla coevoluzione di altre forme di erbivori, come la succhiatura della linfa, l'estrazione delle foglie, la formazione della bile e l'alimentazione del nettare.
Record di erbivori
La nostra comprensione dell'erbivoro nel tempo geologico deriva da tre fonti:
- piante fossilizzate che possono conservare le prove di difesa (come le spine dorsali), o danni erbivori;
- l'osservazione di detriti vegetali in coprolito fossile (feci animali); e
- la costruzione dell'apparato boccale erbivoro.
A lungo ritenuto un fenomeno mesozoico, le prove per l'erbivoro si trovano quasi subito dopo i fossili che potrebbero dimostrarlo. In meno di 20 milioni di anni dai primi fossili di sporangia e steli verso la chiusura del Siluriano, circa 420 mya, ci sono prove che sono stati mangiati. Gli animali si sono nutriti delle spore delle prime piante devoniane, e anche il Rhynie chert fornisce la prova che gli organismi si sono nutriti di piante usando la tecnica del "trafiggi e succhia". Molte piante di questo tempo sono conservate con crescite simili a spinose, che possono aver avuto un ruolo difensivo.
Nel corso dei successivi 75 milioni di anni, le piante si sono evolute in una gamma di organi più complessi - dalle radici ai semi. C'era un intervallo di 50-100 milioni di anni tra ogni organo che si evolveva e di cui si nutriva. L'alimentazione dei fori e la scheletrizzazione sono registrate nel Permiano iniziale, con l'alimentazione dei fluidi di superficie che si evolveva entro la fine di quel periodo.
Co-evoluzione
Gli erbivori dipendono dalle piante per il cibo, e hanno sviluppato meccanismi per ottenere questo cibo nonostante l'evoluzione di molte difese delle piante. Gli adattamenti degli erbivori alla difesa delle piante sono stati paragonati a tratti offensivi. Sono adattamenti che permettono di aumentare l'alimentazione e l'uso di una pianta ospite. Le relazioni tra gli erbivori e le loro piante ospiti si traducono spesso in un reciproco cambiamento evolutivo, chiamato co-evoluzione.
Quando un erbivoro mangia, si nutre di piante che non montano una risposta difensiva sufficiente. Questo crea l'opportunità per le piante che possono montare una difesa. Così le piante con difese diventano le più comuni. Nei casi in cui questa relazione dimostra la specificità (l'evoluzione di ogni tratto è dovuta all'altro) e la reciprocità (entrambi i tratti si evolvono), si pensa che le specie siano coevolute.
Il meccanismo di "fuga e radiazione" per la co-evoluzione è l'idea che gli adattamenti negli erbivori e nelle loro piante ospiti siano stati la forza trainante della speciazione. Gli adattamenti hanno avuto un ruolo nella radiazione delle specie di insetti durante l'era delle angiosperme. Alcuni erbivori hanno sviluppato modi per dirottare le difese delle piante a proprio vantaggio, sequestrando (mantenendo) queste sostanze chimiche e utilizzandole per proteggersi dai predatori.
Cronologia dell'evoluzione delle piante e degli inizi dei diversi modi di erbivori degli insetti
Viburno lesquereuxii foglia con danni da insetti; Dakota Sandstone (Cretaceo) della contea di Ellsworth, Kansas. La barra di scala è di 10 mm.
Un semplice bruco tigre Danaus chrysippus che fa un fossato per bloccare i prodotti chimici difensivi di Calotropis prima di alimentarsi
Anche le piante hanno bisogno di animali
La maggior parte delle piante che difendono le loro foglie in modo così vigoroso, tuttavia, hanno bisogno di animali. Fino al 98% delle piante da fiore nelle foreste pluviali di pianura tropicali si affidano agli animali per l'impollinazione e la dispersione dei semi.
Domande e risposte
D: Che cos'è la difesa dall'erbivoro?
R: La difesa dall'erbivoro è un insieme di adattamenti utilizzati dalle piante per ridurre l'effetto di essere mangiate dagli erbivori.
D: Come si difendono le piante dagli erbivori?
R: Le piante possono utilizzare una serie di strategie per difendersi dagli erbivori, come la produzione di sostanze chimiche che agiscono come repellenti o tossine, l'immagazzinamento di metalli pesanti che sono tossici per gli animali, l'incoraggiamento della presenza di nemici naturali degli erbivori, la fornitura di case per le formiche che difendono fortemente la pianta e la fuga o l'evitamento degli erbivori nel tempo o nel luogo.
D: Queste difese sono sempre presenti nella pianta?
R: No, queste difese possono essere costitutive (sempre presenti nella pianta) o indotte (prodotte in reazione a danni o stress causati dagli erbivori).
D: Quale tipo di animale è tipicamente associato alle difese delle piante?
R: Storicamente, gli insetti sono stati i più importanti per quanto riguarda le difese delle piante. L'evoluzione delle piante terrestri è strettamente associata all'evoluzione degli insetti.
D: Esistono difese rivolte agli erbivori vertebrati?
R: Sì, si sono evolute alcune strategie difensive rivolte agli erbivori vertebrati, come uccelli e mammiferi.
D: Perché è importante studiare le difese delle piante?
R: Lo studio delle difese delle piante contro l'erbivoro è importante non solo dal punto di vista evolutivo, ma anche perché queste difese possono essere utilizzate in agricoltura per le fonti alimentari umane e del bestiame.
