O sucesso evolutivo das plantas!

Por Felipe Veiga

Quando observarmos a nossa volta, logo perceberemos que a maioria das plantas que vemos são as que produzem flores e frutos. A vantagem de número de espécies nesse grupo em relação ao número das que pertencem a outros é imensa – 90% das plantas atuais. Essa discrepância não é por acaso, pois essas plantas são dotadas de grandes exclusividades evolutivas vantajosas para a perpetuação e permanência de seus representantes no ambiente. Para entendermos o grande sucesso das plantas em seus ambientes, precisamos fazer um pequeno resgate evolutivo, desde algas até as plantas vasculares mais complexas.

A linhagem que originou as plantas terrestres evoluiu do ambiente aquático. Algumas algas carófitas que habitavam águas rasas das margens de lagos estavam sujeitas a períodos de secas. Nesse (e em ambientes similares), a seleção natural favorece os indivíduos que são capazes de sobreviver nos períodos de escassez de água. O zigoto dessas algas, na falta de água, é protegido da dessecação por uma camada de uma substância chamada esporopolenina – mesma substância encontrada em grãos de pólen. O acúmulo dessas características em pelo menos uma população ancestral de carófitas, tornou seus descendentes aptos a viverem de forma permanente fora da água. Essa grande novidade evolutiva permitiu a conquista do hábitat terrestre, que oferecia inúmeras vantagens: 

• O ar não oferece a mesma turbidez que a água;
• Não existia a competição por luz com o plâncton; 
• O dióxido de carbono é mais abundante em terra do que na água, pois na água sua solubilidade é restrita;
• O solo é mais rico em nutrientes; 
• Naquele tempo haviam poucos herbívoros e patógenos.

O custo para alcançar esses novos recursos estavam longe de ser considerado baixo. Na conquista do ambiente terrestre, alguns desafios importantes precisavam ser transpostos:

• A relativa escassez de água;
• A dessecação das plantas fora da água;
• Falta de uma estrutura resistente à gravidade.

A conquista do ambiente terrestre só seria possível se os talos emersos fossem impermeabilizados. Tal condição foi alcançada através de uma camada de substâncias lipídicas (ceras principalmente) na superfície das primeiras plantas terrestres. Mas a impermeabilização criava outro problema: as trocas gasosas ficaram restringidas. Essa limitação só foi contornada pelo aparecimento dos estômatos – conjuntos celulares capazes de controlar a abertura e fechamento de um poro, permitindo as trocas gasosas. As plantas puderam se diversificar enquanto suas adaptações foram ocorrendo, possibilitando que prosperassem apesar de todos os desafios. A conquista da terra pelos vegetais modificou profundamente aspectos geomorfológicos e geoquímicos do nosso planeta, afetando também, a evolução de todos os outros grupos de seres vivos sobre a Terra.

Apesar de o ancestral de todas as formas terrestres já ser uma alga verde pluricelular, a sua estrutura corpórea seria um simples talo essencialmente indiferenciado. Em ambiente aquático, o restante de seu corpo é uniforme na maioria dos grupos de algas, exceto pelas suas estruturas de fixação no substrato e reprodução. A absorção de sais, a fotossíntese e alguns outros processos fisiológicos são realizados em um mesmo tecido, e não apresentam órgãos especializados. As algas não possuem organização acentuada, não desenvolvendo raízes, caules ou folhas propriamente ditas.  

Durante milhões de anos, os tecidos vegetais estiveram submersos na água, realizando todas as suas trocas gasosas e de nutrientes por todas as partes do vegetal. Aquelas primeiras espécies que foram capazes de dominar o ambiente terrestre não apresentavam raízes verdadeiras ou folhas. Sem as raízes elas não poderiam absorver nutrientes do solo. Mas, fósseis de aproximadamente 420 milhões de anos mostram uma adaptação que as teria ajudado a resolver esse problema: formavam associações simbiônticas com alguns fungos. Essas associações eram similares àquelas que conhecemos atualmente, chamadas de micorrizas. Os fungos micorrízicos conseguem formar grandes redes de filamentos no solo, aumentando a capacidade de absorção de nutrientes, quando comparados com o que a planta conseguiria absorver sozinha. O fungo passa a transferir nutrientes para a planta simbionte e este processo teria ajudado as plantas sem as raízes a colonizarem o ambiente terrestre. 

Registro fóssil de Cooksonia 

O gênero fóssil Cooksonia,  considerado a primeira planta terrestre, não ultrapassava 5 cm de altura e, provavelmente, sobrevivia submerso em substrato enlameado. Ocasionalmente, desenvolvia estruturas reprodutivas no ápice do talo. Muito possivelmente, as porções subterrâneas tinham uma menor impermeabilização e absorviam água e sais minerais da lama, ao passo que as porções emersas possuíam maior impermeabilização e faziam a maior parte da fotossíntese. Deste ponto evolutivo, as plantas lidaram com o caráter ambíguo do novo ambiente em relação aos recursos para a manutenção da vida vegetal. Luz e CO2 precisavam ser obtidos diretamente do meio aéreo. Componentes minerais, bem como a água, são encontrados na superfície da terra. Dessa forma, os ramos que realizavam fotossíntese deveriam crescer em direção à luz (fototropismo positivo e geotropismo negativo), e órgãos responsáveis pela absorção precisariam crescer para baixo (geotropismo positivo e fototropismo negativo). Esses aspectos foram fundamentais para a especialização apresentada pelas plantas terrestres, permitindo uma ampla diversificação de estruturas. Esse ambiente ambíguo selecionou as espécies de modo a torná-las compostas por dois compartimentos fisiológicos e padrões de crescimento distintos. De um lado, um sistema aéreo que se eleva em direção à luz, portando, ocasionalmente, estruturas de reprodução gâmica. De outro lado, um sistema absortivo e fixador, que cresce de forma subterrânea. 

Para vencer a gravidade, os ramos aéreos precisaram desenvolver tecidos de sustentação resistentes, permitindo o crescimento fototrópico positivo e, quanto mais distantes do solo, melhor impermeabilizados deveriam ser e, os subterrâneos deveriam crescer em busca de sais e água. Apesar da necessidade da integração dos ramos, eles crescem em direções opostas numa relação de dependência muito grande. Os ramos absortivos dependem dos produtos da fotossíntese nos aéreos, enquanto as partes aéreas necessitam da água e dos sais absorvidos pelos ramos subterrâneos. Daí surgiram os vasos condutores de seiva.

Entretanto, as primeiras plantas não apresentavam sistemas vasculares para o transporte de seiva, assim como alguns exemplares atuais – as briófitas. O termo briófita é utilizado informalmente para se referir a todas as plantas avasculares - hepáticas, antóceros e musgos. Ainda há um debate para saber como os três grupos de briófitas evoluíram, mas consideraremos o seguinte cladograma:

Cladograma evolução das plantas.

Briófita típica.

As briófitas são plantas atuais que adquiriram várias adaptações durante o curso da evolução, mas não analisaremos a fundo as espécies de transição. Mesmo assim, provavelmente ainda trazem consigo, características das primeiras plantas terrestres. As briófitas são plantas de tamanho bastante reduzido, face à ausência de tecido vascular, que tornaria possível o transporte de água e nutrientes por distâncias maiores. Por possuir uma estrutura muito fina em seus órgãos, elas conseguem fazer a distribuição de materiais mesmo na ausência de tecido especializado, o qual é feito célula a célula. Alguns musgos como os Polytrichum, possuem tecidos de condução no caule e, por isso, são capazes de crescer até 2 metros de altura. 

Neste ponto, os principais problemas para a colonização da terra já haviam sido resolvidos e as espécies de linhagens bem sucedidas competem por espaço nesse novo nicho ecológico. Apenas em samambaias e outras plantas vasculares sem sementes podemos vê-las atingindo alturas consideráveis. Nos primeiros 100 milhões de anos da evolução das plantas, a vegetação predominante era assemelhada às briófitas. Mas, em paisagens atuais, o amplo domínio é das plantas vasculares. Fósseis de ancestrais dos vegetais vasculares que vivem atualmente datam aproximadamente 420 milhões de anos e, apesar de não ultrapassarem os 50 cm de altura, sua ramificação permitiu a existência de corpos mais complexos os quais, por sua vez, ampliava a competição por espaço e luz, na medida em que aumentavam em complexidade, favorecendo as plantas vasculares. 

Reconstituição de Aglaophyton major,
parente primitivo das plantas vasculares atuais.

Um dos maiores passos para a conquista definitiva do ambiente terrestre foi o desenvolvimento de um tecido capaz de promover a sustentação e condução para as plantas mais altas. Essas plantas ancestrais das já apresentavam algumas características presentes hoje, mas ainda precisavam de outras adaptações, como vasos condutores mais eficientes e raízes e folhas bem desenvolvidas. Precisamos relembrar neste momento, o conceito básico de que as plantas vasculares apresentam dois tipos de condução: xilema e floema. O xilema conduz a maior parte de sais minerais e água sendo um tecido altamente lignificado e resistente. Já o floema, transporta pela planta açúcares, aminoácidos e outros produtos orgânicos. Esses tecidos foram responsáveis pelas plantas crescerem em altura. Os caules tornaram-se suficientemente fortes para sustentar as estruturas, além do já mencionado fato de levarem água, sais minerais e nutrientes orgânicos para todo o corpo vegetal além dos limites do solo. Esse crescimento em altura foi uma novidade evolutiva muito grande e importante, ampliando o acesso à luz solar (necessária à fotossíntese) em relação às plantas menores, sendo uma das maiores vantagem das plantas vasculares sobre as avasculares. 

A competição entre as próprias plantas vasculares se intensificou e a seleção natural favoreceu as formas de maior crescimento, possibilitando o surgimento de formas cada vez mais arborescentes e que originariam as primeiras florestas há cerca de 370 milhões de anos.

Já no lugar das estruturas absortivas conhecidas nas briófitas por rizóides, a maioria das plantas vasculares desenvolveram raízes. Além de absorver água e nutrientes do solo, as raízes servem para fixação das plantas vasculares. Ainda não se sabe se elas evoluíram de forma única ou independente. Mas, por conta da semelhança entre tecidos das raízes das plantas atuais com os de caules de vegetais vasculares primitivos preservados em fósseis, acredita-se que as raízes talvez tenham evoluído a partir de porções subterrâneas do caule das vasculares primitivas. 

As folhas proporcionaram um aumento da área do corpo vegetal, ampliando a capacidade fotossintética das plantas vasculares. Estruturas foliares chamadas de microfilos aparecem, pela primeira vez, há cerca de 370 milhões de anos atrás. Já os macrofilos - folhas com sistema vascular altamente ramificado, podem ter evoluído de ramificações do caule. Uma ramificação cresce em comprimento, e as inferiores tornaram-se achatadas, desenvolvendo uma rede de nervuras que fazia ligação entre elas. Todas as ramificações unidas formam uma folha. 

Chegamos ao ponto máximo de nosso estudo: as plantas com sementes. Anteriormente fizemos apenas um pequeno resgate da história evolutiva dos grupos mais ancestrais dos vegetais porém, não citamos detalhes importantes sobre as principais características de cada um dos grupos. A partir de agora, falaremos sobre as algumas vantagens evolutivas que as plantas com sementes tiveram sobre os outros grupos vegetais. 

Abelha coberta por pólen.

Quando as espécies com sementes se estabeleceram, conseguiram alterar drasticamente o curso da evolução vegetal. A semente nada mais é do que o embrião protegido por um envoltório e com uma grande quantidade de reserva energética. Quando estas estão prontas para germinar, as são liberadas pelas plantas parentais por meio de agentes dispersores. Fazendo uma analogia, a semente seria uma versão destacável do útero de uma mulher grávida, pois é capaz de nutrir e proteger o embrião, além de poder ser levada para longe da mãe. As sementes ajudaram esse grupo vegetal a dominar amplamente o ambiente terrestre, compondo a maior parte da biodiversidade deste reino.

Briófitas e pteridófitas dependem essencialmente de água para a sua reprodução, já que o gameta masculino (anterozóide) precisa nadar até o gameta feminino (oosfera) para fecundá-lo e a distância entre os gametas raramente excede alguns poucos centímetros. Logo, na inexistência ou escassez desse elemento a dificuldade de reprodução para esses grupos vegetais é eminente. Em plantas com semente, uma estrutura foi capaz de contornar essa dificuldade de reprodução em condições de falta d’água: o pólen. Consiste em um gameta masculino envolvido por uma parede polínica. A transferência do pólen até a parte de uma planta com sementes que contém óvulos é denominada polinização. O gameta masculino na maioria das gimnospermas e em todas as angiospermas não possui mobilidade, o que não é uma desvantagem, já que o gameta pode ser transportado, como já dito, por vários agentes. Após o gameta masculino fecundar a oosfera de uma planta feminina, o óvulo inteiro se desenvolve em semente, agregando algumas, pois o embrião vem acompanhado de reserva alimentar e embrulhado em um envoltório de proteção. Até o surgimento desta estrutura, o único estágio de proteção do embrião era o esporo. E mesmo apesar de os musgos e outras plantas sem sementes continuarem a ter sucesso atualmente apenas com os esporos, as sementes representam a principal novidade evolutiva que contribuiu para novos modos de vida para as plantas. Quando analisamos as vantagens das sementes em relação aos esporos, além da já citada presença de reserva alimentar, vemos que os esporos são geralmente unicelulares e as sementes apresentam uma camada de tecido multicelular - a casca que fornece proteção extra para o embrião. Com todas essas características, as sementes podem ficar adormecidas por vários dias, meses ou até anos depois de separadas da planta mãe o que não ocorre com os esporos, que tem uma vida muito mais curta.

Reconstituição de floresta de gimnospermas

As primeiras plantas a apresentarem sementes são ainda anteriores as gimnospermas, mas já se extinguiram, assim como várias linhagens surgidas mais tarde. Seus fósseis datam de aproximadamente 360 milhões de anos. Já os primeiros vestígios de angiospermas datam 305 milhões de anos. Essas plantas viveram junto das vasculares sem sementes, e sua expansão provocou a extinção de uma boa parte destas, modificando drasticamente a flora e a fauna da época. Nesse período (a transição do Carbonífero para o Permiano), as condições climáticas eram mais secas e isso favoreceu as gimnospermas e afetou a vida de animais terrestres também. Os anfíbios diminuíram em diversidade e foram substituídos pelos répteis. Como as plantas vasculares sem sementes dependem diretamente da água, estas sofreram uma grande extinção. As gimnospermas dotadas das características essências para a vida em terra firme – pólen e semente – conseguiram prosperar. Durante o Mesozóico, serviram de alimento para os grandes dinossauros herbívoros. O final desta era é marcado pela extinção em massa da maioria dos dinossauros e de muitos grupos de animais. 

O nosso objeto principal de estudo, as angiospermas, conhecidas como plantas com flores, possuem sementes capazes de produzir estruturas reprodutivas denominadas flores e frutos. Nos tempos atuais, as angiospermas são os vegetais com maior diversidade e mais amplamente distribuídas – 250.000 espécies (90% das espécies). 

As flores das angiospermas são estruturas especializadas para reprodução sexual. Insetos e outros animais transferem o pólen de uma flor para outra, tornando a polinização mais direcionada do que a dependente do vento verificada nas angiospermas. As pétalas de uma flor são vivamente coloridas, auxiliando na atração de polinizadores. Das flores, desenvolve-se um fruto que consiste tipicamente um ovário maduro, embora possa incluir outras partes florais. Os frutos protegem as sementes em dormência e auxiliam na sua dispersão. Em algumas angiospermas, os frutos funcionam como estruturas “voadoras” que auxiliam a dispersão pelo vento. No caso do coco, são adaptados à dispersão pela água. Existem angiospermas que produzem frutos comestíveis, com sabor adocicado e bastante coloridos, anunciando sua maturação. Após ingerir o fruto, os animais fazem a digestão da parte carnosa, mas a semente permanece intacta. Os animais podem depositar as sementes - juntamente com uma quantidade boa de fertilizante natural - há muitos quilômetros do local onde o fruto fora ingerido. As angiospermas e suas características evolutivas vantajosas, surgiram há pelo menos 140 milhões de anos durante o Mesozóico superior. E no cretáceo médio (há 100 milhões de anos), começaram a dominar vários ecossistemas terrestres. As paisagens foram modificadas drasticamente quando as outras plantas perderam espaço para as angiospermas.   

A colonização da terra por animais também têm influenciado a evolução das plantas terrestres e vice-versa. Os herbívoros podem reduzir o número de indivíduos de uma espécie por comer suas folhas, raízes ou sementes. Mas se uma nova e eficiente defesa surgir contra herbívoros, essas plantas podem ser favorecidas por seleção natural. Plantas, polinizadores e outras interações mutuamente benéficas, podem ter efeitos similares. Essa relação, e até mesmo com os agentes dispersores de sementes, contribuíram para o aumento e domínio das plantas com flores no período Cretáceo e para a importância das angiospermas nas comunidades ecológicas.

REFERÊNCIAS:

GONÇALVES, Eduardo. Morfologia Vegetal. 2 ed. São Paulo, Instituto Plantarum, 2011.

CAMPBELL, N. Biologia. 8 ed. Porto Alegre, Artmed, 2010  

SILVA, Sibele. CARÓFITAS E EVOLUÇÃO: TEORES DE CARBOIDRATOS E PROTEINAS EM Chara sorotensis. <http://www.sbpcnet.org.br/livro/63ra/resumos/resumos/7338.htm>

WALKER, Matt. Cientistas analisam tipos de alga que teriam um bilhão de anos. <http://www.bbc.co.uk/portuguese/ciencia/2010/11/101118_algas_fossils_mv.shtml>

COUTINHO, Leopoldo. O conceito de Bioma.< http://www.scielo.br/pdf/abb/v20n1/02.pdf>