Qual a vantagem evolutiva de apresentar fototropismo?

As plantas são vistas muitas vezes como seres inertes que não respondem da mesma forma, nem na mesma rapidez, que animais ao seu ambiente. Assim, de forma depreciativa, chamamos pacientes em coma de “vegetais” ou pessoas que não são muito rápidas ou muito ativas de “plantas”. Porém, quem tem plantinhas em casa sabe que, na verdade, vemos muitas respostas (às vezes até bem rápidas) desses seres vivos à diferença de luminosidade, nutrientes no solo, contato com outras plantas e até nosso amor (brincadeira haha).

Pois é, existe uma visão bastante antropocêntrica ou até zoocêntrica de que inteligência (ou cognição) é uma capacidade presente apenas em seres vivos com sistema nervoso ⎯ isso inclui humanos e quase todos os animais. Isso porque o processamento das informações do ambiente coletadas através da percepção precisaria passar por um cérebro, ou pelo menos um sistema nervoso básico, que criaria um sentido, uma representação do mundo com o qual o organismo pode interagir.

Novas propostas para a cognição entendem que ela acontece em todo o corpo do organismo e muitas vezes de forma direta com o ambiente. Isso significa que muitas capacidades cognitivas não exigiriam o processamento de um cérebro que daria sentido a informação, mas aconteceriam na relação direta do organismo como um todo com seu ambiente. Importante pontuar que estou resumindo essas propostas de forma bem simples aqui.

Esse é um papo super filosófico e bem espinhoso, mas a questão é que essa segunda perspectiva sobre a cognição acaba abrindo possibilidades para organismos bem inesperados serem considerados inteligentes ou cognitivos. Um exemplo são as plantas. Os comportamentos desses organismos foram constantemente considerados fixos, inflexíveis, sempre como resposta a situações do aqui e agora. Porém, nas últimas décadas, pesquisas vêm descobrindo que o repertório comportamental de plantas contêm muito mais do que reflexos instintivos e imutáveis. Estudos vêm descrevendo comportamentos que os autores identificam como capacidades cognitivas a exemplo de mecanismos de tomada de decisão, aprendizado e memória. 

As raízes das plantas são extremamente sensíveis a condições ambientais como disponibilidade de água, nutrientes e gravidade e são essenciais no processo de tomada de decisão de uma planta. Em uma série de experimentos feitos em ervilheiras (Pisum sativum), pesquisadores encontraram que o crescimento de raízes variava em relação à variação temporal de nutrientes no solo. Parte das raízes de uma mesma planta foram colocadas em um solo com concentração de nutrientes constante; uma outra parte foi colocada em um solo com concentração variável de nutrientes. Em vez de considerar apenas a quantidade absoluta de nutrientes no solo, como esperaríamos de um ser com respostas instintivas ou fixadas, as plantas decidiram investir no crescimento das raízes do meio em que a taxa de nutriente média era maior. Isso levou cientistas a afirmarem que os mesmos modelos usados em animais para explicar tomada de decisão e comportamento ótimo poderiam ser utilizados também em plantas.

A habituação é um dos comportamentos de aprendizagem mais antigos estudados em plantas e também faz parte das capacidades cognitivas descritas em humanos e outros animais. Em 2014, Monica Gagliano e colegas da Universidade do Oeste da Austrália e da Universidade de Firenze na Itália, testaram as capacidades de aprendizagem de uma plantinha chamada dormideira ou não-me-toque (Mimosa pudica). Seu nome vem da maneira como suas folhas se fecham em resposta a uma ameaça (vemos isso quando tocamos nela). Quando eles derrubaram as dormideiras de uma altura (algo que a planta normalmente não teria encontrado em sua história evolutiva), as plantas aprenderam, depois de algumas tentativas, que isso era inofensivo e que não precisavam dobrar suas folhas. Surpreendentemente, os pesquisadores observaram que essa habituação pode ser mantida por até 28 dias! Outro experimento incrível de aprendizagem – não de habituação, mas de associação – é descrito pela @herbaweb nesse outro artigo aqui do blog.

Finalmente, chegamos em um exemplo de memória. As plantas chamadas malvas (Lavatera cretica), horas antes do amanhecer, orientam suas folhas para a direção do nascer do sol. Elas parecem se lembrar de onde e quando o Sol nasceu nos dias anteriores e se certificam que vão obter o máximo de energia luminosa possível todas as manhãs. Alguns experimentos foram realizados com essas plantas, trocando a localização da fonte de luz, mas parece que as plantas simplesmente conseguem aprender e lembrar da nova orientação. Quando criamos memórias, possivelmente retemos algumas informações para uso posterior offline. A capacidade de acessar as informações sobre algo que não está presente naquele momento, afirma o filósofo Francisco Calvo, é a razão pela qual a memória é considerada a marca da cognição. A menos que possa operar offline, um estado ou mecanismo não é genuinamente cognitivo.

Pois é, minha gente, ainda há muito o que se estudar sobre a cognição ou inteligência nas nossas plantinhas, mas os exemplos que trouxe aqui com certeza mudam nossa perspectiva sobre elas. Ainda há muita resistência, mesmo dentro da comunidade científica, de que esses exemplos realmente se referem a casos de cognição. Isso pode ser resultado de um fenômeno chamado “plant blindness” (que eu traduziria como cegueira vegetal) – uma tendência a ignorar as capacidades das plantas, o seu comportamento e os papéis ambientais únicos e ativos que desempenham. Esse fenômeno faz com que as tratemos como parte do pano de fundo, e não como agentes ativos em um ecossistema.

Claro, é um esforço imaginativo tentar entender o que o pensamento pode significar para esses organismos, na falta da divisão cérebro (mente) e corpo (motor), que estamos acostumados a lidar. No entanto, ao tentarmos, podemos acabar expandindo esses conceitos e entendendo melhor como as capacidades cognitivas dos animais humanos e não-humanos evoluíram, o que pode ser extremamente benéfico. 

Espero que depois de ler esse texto você pare um momento para olhar para suas plantinhas com novos olhos. E claro, reconsiderar chamar alguém de planta ou vegetal pejorativamente, já que agora você sabe das possíveis extraordinárias capacidades cognitivas das plantas.

Referências

Calvo Garzón, F. (2007). The quest for cognition in plant neurobiology. Plant signaling & behavior, 2(4), 208-211.

Gagliano, M., Renton, M., Depczynski, M., & Mancuso, S. (2014). Experience teaches plants to learn faster and forget slower in environments where it matters. Oecologia, 175(1), 63-72.Segundo-Ortin, M., & Calvo, P. (2019). Are plants cognitive? A reply to Adams. Studies in History and Philosophy of Science Part A, 73, 64-71.

     A história da humanidade foi modificada amplamente a partir do momento que percebemos que somos capazes de manipular, até certo ponto, a natureza. O cruzamento de plantas e de animais para a obtenção de características específicas foi aprimorado ao longo do tempo, aumentando a resistência a doenças, a produtividade e a longevidade.

     Com os avanços em biologia molecular e engenharia genética, aprendemos a inserir e alterar genes responsáveis por características de interesse comercial bem como introduzir genes de resistência a pragas e pesticidas. Além disso, foi possível a obtenção em larga escala de medicamentos e vacinas, como a insulina, os antibióticos e a vacina contra hepatite B. Entretanto, a manipulação genética e seus produtos, os organismos geneticamente modificados (OGM), não são bem vistos por uma boa parcela da população, que prefere optar pelo consumo de produtos de origem orgânica. Mas uma nova metodologia para o silenciamento de genes em plantas, sem alteração do DNA, pode revolucionar o controle de pragas e doenças.

     Proteger as plantas contra infecções virais é uma tarefa complicada, pois é necessário cultivar plantas resistentes aos vírus, caso existam, ou utilizar pesticidas que combatam os animais vetores dos vírus. Os vetores são animais capazes de transmitir a outro ser vivo vírus, bactérias e protozoários causadores de doenças. Atualmente, estima-se que entre 30 e 40% da produção agrícola seja perdida devido a pragas. Com as mudanças climáticas globais, a tendência é que cada vez mais plantações se tornem suscetíveis, uma vez que o aumento global das temperaturas facilita a dispersão de micro-organismos causadores de doenças. Dessa maneira, é cada vez mais evidente que a utilização de técnicas de manejo sustentáveis para plantações seja uma necessidade, com o intuito de reduzir a utilização de agrotóxicos e pesticidas, diminuir a contaminação ambiental, e baratear os custos de produção.

     Liderado pela doutora Neena Mitter, da Universidade de Queensland na Austrália, o grupo de pesquisa desenvolveu um spray contendo ácido ribonucleico (RNA) de dupla fita (dsRNA) capaz de proteger plantas de tabaco (Nicotiana tabacum) contra infecções virais. O RNA é o material genético, de fita simples, responsável pela produção de proteínas nas células e um dsRNA é uma molécula de RNA que está pareada com outra molécula complementar, também de RNA. O dsRNA é acoplado a nanopartículas de argila, esse complexo é então aspergido sobre as folhas das plantas a serem protegidas. Após a aplicação, ocorre a liberação do dsRNA e sua absorção pelas folhas conforme a partícula se degrada. A proteção é baseada no silenciamento de genes essenciais dos vírus estudados, ou seja, a técnica impede a expressão de genes sem os quais os vírus não são capazes de se replicar dentro das células. Com isso, a técnica chama bastante atenção porque se torna uma alternativa à modificação genética de organismos, que pode levar anos até se mostrar segura e eficiente.

Mecanismo de aplicação, liberação e ação do spray desenvolvido pelos pesquisadores da Universidade de Queensland (Esquema retirado do artigo original).

     A técnica desenvolvida pelo grupo é baseada num sistema de defesa existente em organismos eucariotos (que possuem núcleo em suas células), chamado de RNA de interferência (RNAi). Esse mecanismo tem por função identificar e degradar qualquer sequência de nucleotídeos estranha à célula, como vírus e transposons, impedindo a tradução dessa sequência. No entanto, essa degradação só ocorre caso haja complementaridade entre a sequência do RNAi e do RNA estranho, conferindo uma especificidade em sua ação. Dessa maneira, não há risco de interferência no funcionamento celular normal. Outra vantagem é a possibilidade de um mesmo spray poder ser utilizado em diferentes variedades de plantas. Porém, é possível que os organismos alvo acabem desenvolvendo resistência ao alterar sua sequência de DNA em resposta à aplicação do spray. Uma das maneiras para burlar esse mecanismo seria a utilização de diferentes sequências numa mesma solução, aumentando o número de sequências alvo e diminuindo assim as chances de adaptação.

     Os resultados do trabalho mostram que as plantas ficam protegidas por pelo menos 20 dias após a aplicação de uma dose do spray e que mesmo as folhas novas, que não receberam o tratamento, estão protegidas contra a infecção viral. Pesquisadores da Universidade de Cornel em Nova Iorque, também desenvolveram um spray semelhante, mas o alvo foi o besouro-da-batata e o estudo desenvolvido mostrou que a plantação ficou protegida por mais de 28 dias.

     Por ora, a intenção é silenciar genes de pragas biológicas, mas num futuro não muito distante é possível que sprays semelhantes sejam desenvolvidos para alterar outras características das plantas, como composição nutricional, amadurecimento e coloração. E aí, já pensou mudar a cor das flores no seu jardim usando apenas um spray?

Para saber mais:

Artigo original: Clay nanospheres for topical delivery of RNAi for sustained protection against plant viruses. Neena Mitter, Elizabeth A. Worrall, Karl E. Robinson, Peng Li, Ritesh G. Jain, Christelle Taochy, Stephen J. Fletcher, Bernard J. Carroll, G. Q. (Max) Lu, Zhi Ping Xu. http://www.nature.com/articles/nplants2016207

Vídeo em inglês sobre o mecanismo de funcionamento do RNAi: http://www.nature.com/nrg/multimedia/rnai/animation/index.html

RNAi para terapia em humanos: http://www.scielo.br/pdf/rbr/v50n6/v50n6a08.pdf

Poster da Nature (em inglês) sobre RNAi: http://www.nature.com/nrg/posters/small-rna/small-rna.pdf

O mundo dos pequenos RNAs: http://www.plantcell.org/site/teachingtools/TTPB5LectureNotes_PortugueseVersion.pdf

Vetores de doenças: https://pt.wikipedia.org/wiki/Vetor_(epidemiologia)

Nucleotídeos: http://www.biocristalografia.df.ibilce.unesp.br/cursos/intro_bioquimica/aula7.pdf

Por muito tempo, acreditou-se que a aprendizagem e o poder de escolha eram processos que apenas os animais poderiam apresentar. Parece óbvio, visto que um animal pode, por exemplo, escolher entre se alimentar de um animal X ou Y devido à sua capacidade de locomoção. Caso seja mais bem sucedido ao se alimentar do animal X, o animal pode aprender a buscar o mesmo alimento, ou caso se alimente de Y e não tenha o resultado desejado, na próxima oportunidade irá se alimentar de X. Existem estudos com animais de laboratório que mostram um tipo particular de aprendizagem, a chamada aprendizagem por associação. Este tipo de aprendizagem foi descrito por Ivan Pavlov, um médico russo que demonstrou o reflexo condicionado em um experimento feito com cachorros. Ao receberem alimento, os cães ouviam um sino tocar e com isso associavam a alimentação com o barulho. Com o passar do tempo, ao ouvirem o sino tocando, os animais salivavam mesmo sem a presença de comida. Ou seja, os animais aprenderam através de um processo de associação que o alimento estava ligado a um estímulo (no caso o barulho do sino). Na natureza, esses mecanismos favorecem a sobrevivência dos indivíduos, determinando o seu sucesso.

Ao contrário dos animais, as plantas utilizam a luz solar para fazer fotossíntese e produzir seu próprio alimento. Para conseguir maior exposição à luz, as partes aéreas (caules e folhas) das plantas se movimentam em direção às fontes luminosas, em um processo chamado fototropismo positivo. Entretanto, acreditava-se que esse mecanismo seria apenas algo “inconsciente”, e não uma escolha da planta em direção à luz, mas um novo estudo veio desmistificar essa concepção. Foram colocadas sementes de ervilheira (Pisum sativum) em um labirinto em formato de Y, e as sementes poderiam ter duas direções para crescer. Nele, assim como no estudo de Pavlov, um sinal estava associado àpresença de luz): um ventilador era acionado antes da emissão do sinal luminoso, em um dos lados do labirinto. Foram feitos dois grupos (Figura 1): no primeiro, o ventilador e o sinal luminoso estavam no mesmo lado do labirinto (V+L – grupo 1), enquanto no outro estavam em lados opostos (V versus L – grupo 2). Houve um período de “treinamento”, no qual o sinal luminoso era precedido em meia hora pelo ventilador, alternando os braços do labirinto para garantir que a resposta da semente não fosse apenas fisiológica.

Após o período de treinamento, o ventilador era acionado e, mesmo sem o acionamento do sinal luminoso, observou-se uma diferença significativa entre as sementes que cresciam de acordo com seu treinamento (grupos 1 ou 2). Isso significa que as sementes do grupo 1 cresciam para o lado do ventilador, enquanto as sementes do grupo 2 cresciam para o lado oposto do ventilador, mesmo sem o acionamento do sinal luminoso em ambos os casos. Desse modo, as sementes de ervilheira demonstraram a capacidade de apresentar o mesmo comportamento que Pavlov observou em cães.

Esses resultados nos fazem repensar as certezas que tínhamos em relação às plantas: será que as plantas têm um nível de consciência semelhante aos animais, apesar da ausência de um sistema nervoso? Alguns historiadores já pensaram sobre isso, e decidiram ir além: levantaram o questionamento – foram os homens que domesticaram as plantas, ou as plantas que domesticaram os homens?

“As plantas domesticaram o Homo sapiens, e não o contrário. Pense por um instante na Revolução Agrícola do ponto de vista do trigo. Há dez mil anos, o trigo era apenas uma gramínea silvestre, uma de muitas, confinada a uma pequena região do Oriente Médio. De repente, em alguns milênios, estava crescendo no mundo inteiro. De acordo com os critérios evolutivos elementares de sobrevivência e reprodução, o trigo se tornou uma das plantas mais prósperas na história do planeta. (…) Como essas gramíneas passaram de insignificantes a onipresentes? O trigo fez isso manipulando o Homo sapiens a seu bel-prazer. Esse primata vivia uma vida confortável como caçador-coletor até por volta de 10 mil anos atrás, quando começou a dedicar cada vez mais esforços ao cultivo do trigo. Em poucos milênios, os humanos em muitas partes do mundo estavam fazendo não muito mais do que cuidar de plantas de trigo do amanhecer ao entardecer.”

Se isso é verdade ou não, não podemos afirmar com certeza. Mas definitivamente os limites que diferenciam os animais das plantas estão se mostrando cada vez mais tênues.

Referências:
GAGLIANO, M. et al. Learning by Association in Plants. Scientific Reports.
Sapiens – Uma breve história da humanidade. Yuval Noah Harari

Você sabia que o genoma de algumas espécies pode ser muito maior que de outras? No universo das planta, isso significa que o tamanho do genoma de uma espécie pode ser duas mil vezes maior que o genoma de uma outra espécie vegetal. Essa extraordinária variação no tamanho do genoma das plantas intrigou pesquisadores de vários países, que decidiram estudar plantas do gênero Fritillaria (Liliaceae). Esse gênero de plantas abriga espécies com um genoma de tamanho extremamente grande, sem que isso seja devido a duplicações do próprio genoma. O genoma dessas plantas diploides varia entre 30,15Gb e 85,38Gb! Impressionante, não é?

A duplicação do genoma inteiro de uma planta (também conhecida como Whole Genome Duplication) é um fenômeno que leva à existência de plantas poliploides, que possuem mais de dois conjuntos completos de cromossomos. Porém, há outros mecanismos que podem levar a um genoma de enorme dimensão, como a propagação de DNA repetitivo e de elementos transponíveis.

Em um artigo publicado esta ano na New Phytologist, pesquisadores revelaram que o motivo pelo qual o genoma de espécies de Fritillaria é tão grande: o segredo é a falta de deleção de DNA repetitivo, e não apenas um resultado da propagação de algumas famílias gênicas abundantemente repetitivas. Para chegar a tal conclusão, os autores realizaram sequenciamento do DNA genômico de espécies de Fritillaria e identificaram familias gênicas repetitivas usando ferramentas de bioinformática. A compreensão de como algumas plantas podem ter um genoma de tamanho tão gigantesco poderá certamente nos ajudar a desvendar mais detalhes da evolução genômica de muitas espécies vegetais, e a entender como toda essa quantidade de DNA é orquestrada para a replicação, expressão gênica e outros processos celulares.

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Referência bibliográfica

Kelly et al (2015). Analysis of the giant genomes of Fritillaria (Liliaceae) indicates that a lack of DNA removal characterizes extreme expansions in genome size. New Phytologist. doi: 10.1111/nph.13471.

Você já parou para pensar que seu tempo é dividido em blocos de 24 horas? Esse tempo é aquele que a Terra precisa para completar um giro em torno de si mesma, e esse mesmo tempo de 24 horas regra a vida de quase todos os oganismos viventes no planeta.
Ao longo da evolução, surgiram independentemente em várias linhagens mecanismos moleculares que ajudam o corpo a se regular aos ciclos de 24 horas da Terra. A esse mecanismo damos o nome de relógio biológico, e o ritmo de 24 horas é chamado ritmo circadiano.
É interessante notar que várias linhagens tenham desenvolvido de formas diferentes uma maneira de controlar todo o metabolismo animal e vegetal! Nos seres humanos, há um órgão responsável por sincronizar as células do nosso corpo: os núcleos supraquiasmáticos. Em plantas, descobriu-se recentemente que a vasculatura funciona como um tecido sincronizador de diversas partes do vegetal: parte aérea e raízes, mas também diferentes células da parte aérea. Faz sentido pensar que possuir um mecanismo que lhe permita estar sincronizado com o ambiente em que vivemos pode conferir uma vantagem evolutiva, né? Imagina se nós tivéssemos ritmos de 36 horas, com a Terra tendo um ritmo de 24 horas… seria uma bagunça!
Nas plantas, o relógio biológico é composto de três “partes”: um oscilador central, vias de entrada (que recebem estímulos do ambiente) e vias de saída (que regulam o metabolismo em diversos níveis). O funcionamento do relógio é um assunto muito complexo, que tem intrigado cientistas da área de fisiologia molecular vegetal. Às vezes temos a impressão que tudo influencia o relógio e que o relógio pode influenciar tudo, uma vez que a regulação do metabolismo e as vidas de entrada e saída do relógio se interconectam em vários pontos.
Como manter então a fisiologia de um organismo relativamente estável, estando num ambiente instável, sujeito a variações das condições biótica e abióticas? Uma revisão recente sobre o assunto mostrou a que ponto estamos de compreender o funcionamento do relógio e como ele ajuda a regular o metabolismo vegetal. Desde a assimilação de carbono (quando as plantas absorvem CO2 do ar e transformam em compostos de carbono como o açúcar, por meio da fotossíntese), até à regulação da absorção de micro e macronutrientes no solo: tudo isso está de alguma forma controlad pelo relógio! A figura a seguir, retirada de um artigo publicado este ano na revista Frontiers in Plant Science, mostra como é complexa essa regulação.

(Retirada de http://journal.frontiersin.org/article/10.3389/fpls.2015.00299/full)

As siglas nos retângulos são nomes de genes do oscilador central do relógio, enquanto as flechas mostram como esses genes se regulam entre si. Se você olhar bem, os retângulos forma um círculo, mostrando quais genes são “usados” (ou expressos) ao longo do dia, no sentido horário. A parte amarela superior da figura mostra processos fisiológicos que a planta realiza durante o dia, enquanto a parte inferior mostra aqueles que acontecem de noite.
O relógio biológico das plantas está também relacionado a outros processos, como tempo de floração, percepção de estações do ano, senescência (envelhecimento e morte). Se você quiser se informar mais, que tal assistir a este vídeo curtinho que conta mais um pouco sobre como as plantas percebem o tempo?

http://ed.ted.com/lessons/how-plants-tell-time-dasha-savage

Fontes:
Haydon M, Román A & Arshas W (2015). Nurrient homeostasis withon the plant circadian network. Frontiers in Plant Science, doi10.3389/fpls.2015.00299.