Biodiversidade 2 de novembro de 2022, 08:56 02/11/2022

Não julgue uma planta por suas flores

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Jovens revisores

Resumo

Você sem dúvida já notou que existem inúmeros tipos de plantas em seu próprio quintal ou nas vizinhanças; e, também, deve ter ouvido falar no conceito de evolução. Mas já se perguntou que forças contribuíram para criar todas essas plantas, de diferentes formas e cores, no mundo inteiro? Ou então questionou como os cientistas procuram entender e explicar de que modo tantas formas de vida surgiram ao longo de milhões de anos? Usando um caso misterioso de flores que são muito parecidas, mas que brotam em lados opostos do oceano, mostraremos o modo como os cientistas combinam histórias de evolução usando DNA de plantas e o conhecimento da aparência atual dessas plantas. Vamos construir uma máquina do tempo para desvendar o mistério!

Um mundo de plantas

Se você olhar em volta, notará que existem diferentes tipos de plantas por toda parte. Elas são a base de qualquer ecossistema, das tundras às florestas tropicais e às zonas úmidas, sem esquecer os desertos! Nesses ecossistemas variados, há plantas de tamanhos e formas diferentes. Quando falamos da aparência de uma planta ou de suas partes (por exemplo, a forma e a cor de uma flor), estamos descrevendo sua morfologia: as características físicas de um organismo. Como ocorreu essa incrível variedade na morfologia das plantas? Os cientistas respondem a perguntas assim recorrendo à evolução. A evolução explica como os seres vivos estão relacionados uns com os outros, e como a antiga história deles levou aos diferentes organismos que vemos hoje em partes diferentes do mundo. 

Todas as plantas de hoje evoluíram a partir de ancestrais que devem ter parecido muito diferentes, ou transmitido partes de sua morfologia às gerações atuais, do mesmo modo que você pode ter os olhos semelhantes aos de sua mãe ou o nariz igual ao de seu pai. A morfologia das plantas, os ambientes onde crescem, o DNA que possuem e até seus fósseis são usados para rastrear o processo de evolução das espécies atuais. Sim, é importante entender a evolução das plantas! O estudo da evolução enriquece nosso conhecimento dos seres vivos de nosso planeta e ajuda na descoberta de espécies novas. Uma espécieé um grupo de organismos tão parecidos que podemos enquadrá-los em um mesmo tipo. Leões e girafas são exemplos de espécies animais. Os cientistas que tentam proteger a variedade de vida na Terra usam o conhecimento do número de espécies e dos lugares onde elas vivem para decidir onde concentrar seus esforços. Analisar o modo como as espécies de plantas evoluíram em diferentes regiões e climas, ao longo da história, pode ajudar os cientistas a entender como podem responder às mudanças climáticas e a predizer como o mundo será no futuro.

Os princípios básicos de uma árvore

Os cientistas elaboram diagramas chamados árvores filogenéticas(Figura 1), semelhantes a uma árvore genealógica, para mostrar as relações evolutivas entre ancestrais (similares a avós) e seus descendentes (similares a filhos). Numa árvore filogenética, todos os organismos que descendem de um ancestral comum são agrupados em um clado. O ancestral comum de dois ou mais organismos é descoberto quando se recuam as linhas que partem desses organismos até que se encontrem em determinado ponto, chamado nó. Quando determinada característica de um ancestral comum foi transmitida a múltiplos descendentes, dá-se a isso o nome de homologia. Já a convergência identifica uma característica partilhada por dois organismos que nãoestava presente no ancestral comum. Numa convergência, essas características partilhadas na verdade evoluíram de forma independente nos dois organismos [1]. Na Figura 1, se você acompanhar as linhas que partem de beija-flores e nectarínias até seu ancestral comum, verá que o ancestral comum das aves tinha asas. As asas foram passadas de um ancestral comum para ambas as aves, de modo que as asas de ambas as espécies constituem um caso de homologia. Entretanto, se você seguir a linha a partir de morcegos, beija-flores e nectarínias até o ancestral comum das aves e dos mamíferos, verá que esse ancestral não possuía asas e, portanto, não as passou para aves e morcegos. Isso quer dizer que as asas dos morcegos e das aves constituem um caso de convergência – e uma das provas é que as asas das aves têm penas e as dos morcegos, não. Os morcegos desenvolveram uma maneira diferente de voar.

Figura 1. Para entender uma árvore filogenética. Os animais com rótulos vermelhos (beija-flores, nectarínias e morcegos) partilham a característica de terem asas. As asas nos beija-flores e nas nectarínias constituem um caso de homologia, pois o ancestral comum deles, que foi outra ave, tinha asas com penas. Porém, o ancestral comum do clado das aves e do clado dos mamíferos não tinha asas e, por isso, as asas dos morcegos e as asas das aves são um exemplo de convergência evolucionária. 

Um olhar às Costaceae

As Costaceae são um grupo de 120 espécies, uma das quais é conhecida como cana-do-mato [2]. Crescem nas regiões tropicais da Ásia, África, América Central e América do Sul. Assim como muitas plantas que dão flores, elas se beneficiam dos polinizadores, os animais que transportam pólen de uma flor a outra para ajudá-las a se reproduzir. Muitas espécies de Costaceae são de polinização generalista, o que significa que suas flores são polinizadas por diferentes animais. Contudo, as abelhas polinizam melhor algumas espécies, enquanto as aves são os únicos polinizadores de outras [2, 3]. Flores polinizadas pelos mesmos animais tendem a apresentar quase a mesma morfologia [4]. Aquelas polinizadas por moscas, por exemplo, parecem carne podre – e cheiram parecido. A morfologia comum das flores que evoluíram para atrair um polinizador específico é chamada de síndrome de polinização.

Flores semelhantes de ambos os lados do oceano

Há espécies de Costaceae polinizadas por aves tanto no Sudeste da Ásia quanto nas Américas Central e do Sul (as Américas tropicais). Na Ásia, suas flores são polinizadas por nectarínias; nas Américas tropicais, beija-flores polinizam algumas [3]. Embora essas plantas cresçam muito longe umas das outras e se beneficiem de diferentes polinizadores, suas flores são bem semelhantes e partilham uma morfologia parecida (Figuras 2B, C). As flores polinizadas por aves, em ambos os lugares, são de um vermelho-vivo, amarelas ou alaranjadas. Lembram tubos estreitos, para que os bicos compridos das aves possam entrar e beber o néctar, enquanto seus corpos apanham e transferem pólen [5]. Ao contrário, as espécies de Costaceae polinizadas por abelhas têm flores mais largas, com grandes aberturas, de modo que as abelhas possam se esgueirar para dentro (Figura 2A). As flores polinizadas por esses insetos são usualmente de um tom rosa-claro, amarelas ou brancas, com pintinhas que guiam as abelhas para seu centro [6]. As flores que escolhemos para a Figura 2 lembram muito outras Costaceae com as mesmas síndromes de polinização.

Figura 2. Algumas espécies de Costaceae com símbolos que mostram suas síndromes de polinização. A. Costus guanaiensis é polinizada por abelhas. Você distingue as “pistas de pouso” que orientam as abelhas? B. C. comosus é polinizada por beija-flores. Você distingue as flores alaranjadas, em forma de tubo? C. Tapeinochilos ananassae é polinizada por nectarínias. Você distingue as flores amarelas, em forma de tubo? D. Chamaecostus cuspidatus não tem uma síndrome de polinização específica, é polinizada por vários insetos (a chamada polinização generalista). Imagine-a como um grande prato do qual todos podem se servir. As flores em A e B vivem perto umas das outas. As flores em B e C vivem dos dois lados do oceano. Quais flores são mais parecidas? Que similaridades você percebe?

As flores intensamente coloridas e em forma de tubo têm síndrome de polinização por aves; aquelas que são fracamente coloridas e largas, com centro de atração, têm síndrome de polinização por abelhas. Associamos essas síndromes a seus polinizadores porque os cientistas constataram quais animais visitam as flores e quais são melhores para transferir o pólen que colhem delas [6].

As espécies de Costaceae apresentam um mistério evolucionário! Por que algumas que vivem nas regiões tropicais da América se parecem tanto com as que vivem bem longe, no sudeste da Ásia? Neste artigo, combinaremos o conhecimento das relações evolucionárias das espécies de Costaceae com o que sabemos das diferentes síndromes de polinização a fim de responder a uma pergunta crucial: as espécies polinizadas por aves na Ásia e nas regiões tropicais da América se parecem por causa da homologia ou da convergência?

Formulando uma hipótese

Os cientistas aventam uma hipótese para orientar sua pesquisa. Uma hipótese é uma predição testável baseada em evidências disponíveis. No caso das Costaceae e suas síndromes de polinização, os pesquisadores testaram a seguinte hipótese: “As espécies polinizadas por beija-flores e nectarínias possuem flores parecidas porque herdaram as características florais que partilham de um ancestral único (homologia)”.

Se nossa hipótese estiver correta, as seguintes deduções estarão também:

1. As espécies que são polinizadas por beija-flores e nectarínias são proximamente relacionadas.

2. O ancestral comum das espécies polinizadas por beija-flores e nectarínias tinha uma síndrome de polinização por aves.

Juntando pistas para desvendar o mistério

Vamos testar nossa hipótese!

As espécies polinizadas por beija-flores e nectarínias são proximamente relacionadas?

Para responder a essa pergunta, precisamos conhecer as relações evolucionárias entre as espécies de Costaceae. Espécies proximamente relacionadas possuem mais sequências de DNA similares do que as espécies com relacionamentos menos estreitos. Os pesquisadores podem usar as sequências de DNA para predizer as relações evolucionárias de organismos desenhando uma árvore filogenética como a feita para as Costaceae (Figura 3). Em nossa árvore filogenética, cada espécie tem o símbolo de seu polinizador ao lado do nome. Encontre as espécies polinizadas por aves. Como você pode ver, existem inúmeras espécies que são polinizadas por beija-flores, mas só uma polinizada por nectarínias(perto do topo da árvore). O mais recente ancestral comum de todas as Costaceae está no lugar onde se encontram as linhas que partem da Tapeinochilos e da Costus comosus, polinizadas por aves (lado esquerdo). Houve várias divisões na árvore desde o ancestral comum mais recente, levando a algumas espécies polinizadas por abelhas, algumas de polinização generalista e algumas polinizadas por aves. Observe quantas divisões existem em nossa árvore filogenética entre a linha que vai até a Taperinochilos e a que vai até a C. Comosus. Será que nossa árvore filogenética corrobora a hipótese? As espécies polinizadas por beija-flores e nectarínias estão mesmo estreitamente relacionadas? A resposta é… não! Essas duas espécies não estão estreitamente relacionadas.

Figura 3. A árvore filogenética das espécies Costaceae. Todos os nomes das espécies aparecem à direita e são rotuladas com sua síndrome de polinização: generalista, abelhas ou aves. Você pode ver as duas espécies polinizadas por aves que iniciaram esse mistério nas fotos à direita de seus nomes. A primeira coisa a notar é que não estão próximas uma da outra, pois há muitas outras espécies entre elas. Se você seguir todos os ramos (as linhas) da árvore, de nossas duas suspeitas até onde elas se encontram, chegará ao lado esquerdo, ao fim. Esse é o ancestral comum de todas as Costaceae, que provavelmente viveu há milhões de anos! Nossa reconstrução mostra que esse ancestral possivelmente tinha uma síndrome de polinização generalista, indicada pelo rótulo generalista. Todos os outros rótulos que você vê na árvore são nós, de onde a síndrome de polinização rotulada evoluiu ao longo da história. Isso significa que, há muito tempo, houve um ancestral com essa morfologia de polinização. Há cinco evoluções de polinização por abelhas, nove por beija-flores e uma por nectarínia. E constatamos que a polinização por abelhas evoluiu antes da polinização por beija-flores.

O ancestral comum das espécies polinizadas por beija-flores e nectarínias tinha síndrome de polinização por aves?

A fim de determinar a síndrome de polinização do ancestral comum, os pesquisadores empregam um método conhecido como reconstrução do estado ancestral. Essa técnica usa testes matemáticos e conhecimento das características das espécies atuais para descobrir como seus ancestrais devem ter sido. Os resultados de uma reconstrução do estado ancestral nos mostram a possibilidade de um ancestral ter tido determinada característica.

Os resultados de uma reconstrução do estado ancestral da síndrome de polinização nas Costaceae revelam que o ancestral comum das espécies polinizadas por beija-flores e nectarínias provavelmente não era polinizado por aves, sendo mais de polinização generalista como a Chamaecostus (Figuras 2 e 3) [7]. A polinização por aves, em geral, evoluiu mais de uma vez nas Costaceae – e a polinização por beija-flores evoluiu outras tantas! Esses dados não corroboram nossa hipótese de que as síndromes compartilhadas de polinização por aves se devem à homologia.

Sim, os dados não corroboram nossa hipótese. Embora as flores polinizadas por beija-flores e nectarínias se pareçam muito, isso não quer dizer que essas características foram transmitidas por um ancestral comum – ao contrário, devem ser o resultado de uma convergência. Parece que essas plantas desenvolveram independentemente uma morfologia similar (como os tubos e as cores vivas) para facilitar a polinização por aves. Quem diria que as duas flores muito semelhantes na Figura 2B, C não são estreitamente relacionadas, mas um exemplo de convergência evolucionária?

Vamos mergulhar mais fundo!

Você deve ter percebido que os resultados de nossa reconstrução do estado ancestral foram em probabilidades. Por que dizemos que o ancestral comum era provavelmente e não com certeza de polinização generalista? Como ainda não temos uma verdadeira máquina do tempo, só podemos estimar a morfologia de espécies ancestrais. Assim como um detetive supõe como um crime aconteceu a partir de fragmentos de evidências, nós juntamos dados e imaginamos como as espécies de Costaceae podem ter sido. Nossos dados são as síndromes de polinização das plantas de hoje (os símbolos perto de seus nomes na árvore filogenética) e a árvore filogenética. No caso da polinização das Costaceae, nosso trabalho de detetive não revelou um ancestral comum com síndrome de polinização por aves, mas nos mostrou que a polinização por aves evoluiu inúmeras vezes de maneira independente. 

No caso das Costaceae, o que leva à convergência na evolução da síndrome de polinização por pássaros? A evolução de todos os organismos é influenciada pelo ambiente onde vivem, como o clima e/ou os outros animais e plantas próximos. Uma espécie tem de sobreviver e reproduzir-se nessas circunstâncias ambientais ou será extinta. A evolução de novas morfologias pode reforçar a capacidade de um organismo de sobreviver em seu ambiente ou aumentar suas chances de se reproduzir e transferir seu DNA. Na Ásia e nas Américas tropicais, há grupos de pássaros que atuam como polinizadores. Provavelmente, esses beija-flores e nectarínias andavam à procura de néctar como fonte de alimento e se depararam com as flores de Costaceae. Nessa época da história, as flores deviam ter largos tubos florais que eram polinizados por abelhas. Há sempre alguma variação na morfologia de uma espécie. Assim como a aparência dos humanos não é a mesma, essas flores não teriam sido exatamente iguais. As aves tentavam sugar o néctar de todas as flores e as que tinham tubos mais longos e estreitos facilitavam o acesso, de modo que, com maior probabilidade, eram polinizadas por pássaros e não por abelhas. Já nas flores mais largas as abelhas podiam com mais facilidade entrar rastejando e, assim, polinizá-las. Com o tempo, as aves passaram a preferir as flores tubulares e as abelhas, as mais largas e abertas. Devido a essas escolhas, o pólen deixou de ser transferido entre flores largas e flores estreitas. Flores largas só se reproduziam com flores largas; flores estreitas, com flores estreitas. Por fim, duas espécies com essas diferentes características florais se formaram. Portanto, espécies estreitamente relacionadas podem viver lado a lado e parecer muito diferentes, como as espécies de Costaceae polinizadas por abelhas e beija-flores (Figuras 2A, B). Tanto na Ásia quanto nas Américas tropicais, as aves foram o fator ambiental que pressionou algumas Costaceae e provocou a evolução das características que chamamos de síndrome de polinização por aves. Você pode notar quão efetiva foi essa pressão observando a incrível convergência na síndrome de polinização mostrada nas Figuras 2B, C!

Estudos como esse nos dão um vislumbre do passado, revelando o processo de evolução e o surgimento de novas espécies. A fim de remontar no tempo, precisamos combinar a compreensão do DNA e a morfologia das plantas, sempre recorrendo à matemática. Se utilizarmos essa máquina do tempo científica, conseguiremos imaginar qual deve ter sido a aparência de organismos antigos e até que ponto contribuíram para a variedade atual dos seres vivos.

Glossário

Morfologia: Os traços físicos de um organismo, como cor e forma.

Evolução: Estudo de como a vida se desenvolve e se diversifica ao longo do tempo.

Espécie: Grupo de organismos similares, considerados do mesmo tipo.

Árvores filogenéticas: Diagramas que os cientistas usam para mostrar as relações evolucionárias entre organismos. 

Homologia: Fenômeno que ocorre quando vários organismos partilham uma característica herdada de um ancestral comum.

Convergência: Fenômeno que ocorre quando uma característica partilhada por organismos não esteve presente em seu ancestral comum. Na convergência, essa característica partilhada evoluiu independentemente.

Polinizador: Animal que transporta pólen entre flores, ajudando as plantas a se reproduzir.

Polinização generalista: Característica da planta cujas flores são polinizadas por diferentes animais.

Síndrome de polinização: Morfologia comum das flores que evoluíram para atrair um polinizador específico.

Hipótese: Predição baseada em evidências disponíveis, que possam ser testadas em experimentos.

Reconstrução do Estado Ancestral: Técnica que utiliza testes matemáticos e conhecimento das características das espécies atuais para predizer que características seus ancestrais provavelmente apresentavam.

Referências

[1] “Understanding Evolution.” 2016. University of California Museum of Paleontology. Disponível em: http://evolution.berkeley.edu/

[2] Specht, C. D. 2006. “Systematics and evolution of the tropical monocot family Costaceae (Zingiberales): a multiple dataset approach.” Syst. Bot. 31(1):89–106. DOI: 10.1600/036364406775971840.

[3] Salzman, S., Driscoll, H. E., Renner, T., André, T., Shen, S. e Specht, C. D. 2015. “Spiraling into history: a molecular phylogeny and investigation of biogeographic origins and floral evolution for the genus Costus.” Syst. Bot. 40(1):104–15. DOI: 10.1600/036364415X686404.

[4] Fenster, C. B., Armbruster, W. S., Wilson, P., Dudash, M. R. e Thomson, J. D. 2004. “Pollination and floral syndromes.” Annu. Rev. Ecol. Evol. Syst. 35:375–403. DOI: 10.2307/annurev.ecolsys.34.01180230000015.

[5] Kay, K. M. e Schemske, D. W. 2003. “Pollinator assemblages and visitation rates for 11 species of neotropical Costus (Costaceae).” Biotropica 35(2):198–207. DOI: 10.1111/j.1744–7429.2003.tb00279.x.

[6] Specht, C. D., Kress, W. J., Stevenson, D. W. e DeSalle, R. 2001. “A molecular phylogeny of Costaceae (Zingiberales).” Mol. Phylogenet. Evol. 21(3)333–45. DOI: 10.1006/mpev.2001.1029.

[7] Specht, C. D., Yockteng, R., Almeida, A. M., Kirchoff, B. K. e Kress, W. J. 2012. “Homoplasy, pollination, and emerging complexity during the evolution of floral development in the tropical gingers (Zingiberales).” Bot. Rev. 78(4):440–62. DOI: 10.1007/s12229-012-9111-6.

Citação

Bruenn, R., Lavenburg, V. e Salzman, S. (2017). “Don’t judge a plant by its flowers.” Front. Young Minds. 5:31. DOI: 10.3389/frym.2017.00031.

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