Por que musgos e samambaias dependem da água para se reproduzir?

Habilidades para desenvolver

• Identifique as novas características que aparecem pela primeira vez nos traqueófitos
• Discuta a importância das adaptações à vida na terra
• Descreva as classes de traqueófitos sem sementes
• Descreva o ciclo de vida de uma samambaia
• Explicar o papel das plantas vasculares sem sementes no ecossistema

As plantas vasculares, ou traqueófitos, são o grupo dominante e mais conspícuo de plantas terrestres. Mais de 260.000 espécies de traqueófitos representam mais de 90% da vegetação da Terra. Várias inovações evolutivas explicam seu sucesso e sua capacidade de se espalhar por todos os habitats.

As briófitas podem ter tido sucesso na transição de um habitat aquático para a terra, mas ainda dependem da água para se reproduzirem e absorvem umidade e nutrientes pela superfície do gametófito. A falta de raízes para absorver água e minerais do solo, bem como a falta de células condutoras reforçadas, limita as briófitas a tamanhos pequenos. Embora possam sobreviver em condições razoavelmente secas, eles não podem se reproduzir e expandir sua área de habitat na ausência de água. As plantas vasculares, por outro lado, podem atingir alturas enormes, competindo com sucesso pela luz. Órgãos fotossintéticos se transformam em folhas, e células semelhantes a tubos ou tecidos vasculares transportam água, minerais e carbono fixo por todo o organismo.

Em plantas vasculares sem sementes, o esporófito diploide é a fase dominante do ciclo de vida. O gametófito é agora um organismo discreto, mas ainda independente. Ao longo da evolução da planta, há uma evidente inversão de papéis na fase dominante do ciclo de vida. As plantas vasculares sem sementes ainda dependem da água durante a fertilização, pois o espermatozóide deve nadar sobre uma camada de umidade para chegar ao óvulo. Essa etapa da reprodução explica por que as samambaias e seus parentes são mais abundantes em ambientes úmidos.

Tecido vascular: xilema e floema

Os primeiros fósseis que mostram a presença de tecido vascular datam do período siluriano, cerca de 430 milhões de anos atrás. O arranjo mais simples das células condutoras mostra um padrão de xilema no centro cercado pelo floema. O xilema é o tecido responsável pelo armazenamento e transporte de longa distância de água e nutrientes, bem como pela transferência de fatores de crescimento solúveis em água dos órgãos de síntese para os órgãos alvo. O tecido consiste em células condutoras, conhecidas como traqueídeos, e tecido de preenchimento de suporte, chamado parênquima. As células condutoras do xilema incorporam o composto lignina em suas paredes e, portanto, são descritas como lignificadas. A lignina em si é um polímero complexo que é impermeável à água e confere resistência mecânica ao tecido vascular. Com suas paredes celulares rígidas, as células do xilema fornecem suporte à planta e permitem que ela alcance alturas impressionantes. As plantas altas têm uma vantagem seletiva por serem capazes de alcançar a luz solar não filtrada e dispersar seus esporos ou sementes para mais longe, expandindo assim seu alcance. Ao crescer mais do que outras plantas, as árvores altas projetam sua sombra sobre plantas mais curtas e limitam a competição por água e nutrientes preciosos no solo.

O floema é o segundo tipo de tecido vascular; ele transporta açúcares, proteínas e outros solutos por toda a planta. As células do floema são divididas em elementos de peneira (células condutoras) e células que suportam os elementos da peneira. Juntos, os tecidos do xilema e do floema formam o sistema vascular das plantas.

Raízes: suporte para a planta

As raízes não estão bem preservadas no registro fóssil. No entanto, parece que as raízes apareceram mais tarde na evolução do que o tecido vascular. O desenvolvimento de uma extensa rede de raízes representou uma nova característica significativa das plantas vasculares. Rizoides finos uniram briófitas ao substrato, mas esses filamentos bastante frágeis não forneceram uma âncora forte para a planta; tampouco absorveram quantidades substanciais de água e nutrientes. Em contraste, as raízes, com seu sistema de tecido vascular proeminente, transferem água e minerais do solo para o resto da planta. A extensa rede de raízes que penetra profundamente no solo para alcançar as fontes de água também estabiliza as árvores ao atuar como lastro ou âncora. A maioria das raízes estabelece uma relação simbiótica com fungos, formando micorrizas, que beneficiam a planta ao aumentar consideravelmente a área superficial para absorção de água e minerais e nutrientes do solo.

Folhas, esporofilas e estrobili

Uma terceira inovação marca as plantas vasculares sem sementes. Acompanhando a proeminência do esporófito e o desenvolvimento do tecido vascular, o aparecimento de folhas verdadeiras melhorou sua eficiência fotossintética. As folhas capturam mais luz solar com o aumento da área de superfície, empregando mais cloroplastos para reter a energia da luz e convertê-la em energia química, que é então usada para fixar o dióxido de carbono atmosférico em carboidratos. Os carboidratos são exportados para o resto da planta pelas células condutoras do tecido do floema.

A existência de dois tipos de morfologia sugere que as folhas evoluíram de forma independente em vários grupos de plantas. O primeiro tipo de folha é a microfila, ou “folhinha”, que pode ser datada de 350 milhões de anos atrás no final da Silúria. Uma microfila é pequena e tem um sistema vascular simples. Uma única veia não ramificada - um feixe de tecido vascular feito de xilema e floema - atravessa o centro da folha. Os microfilos podem ter se originado do achatamento de ramos laterais ou de esporângios que perderam suas capacidades reprodutivas. Os microfilos estão presentes nos musgos do clube e provavelmente precederam o desenvolvimento das megafilas, ou “folhas grandes”, que são folhas maiores com um padrão de nervuras ramificadas. As megafilas provavelmente apareceram de forma independente várias vezes durante o curso da evolução. Suas complexas redes de veias sugerem que vários ramos podem ter se combinado em um órgão achatado, com as lacunas entre os galhos sendo preenchidas com tecido fotossintético.

Além da fotossíntese, as folhas desempenham outro papel na vida das plantas. Pinhas, folhas maduras de samambaias e flores são todas esporofilas - folhas que foram modificadas estruturalmente para produzir esporângios. Strobili são estruturas em forma de cone que contêm esporângios. Eles são proeminentes nas coníferas e são comumente conhecidos como pinhas.

Samambaias e outras plantas vasculares sem sementes

No final do período Devoniano, as plantas tinham tecido vascular desenvolvido, folhas e sistemas radiculares bem definidos. Com essas vantagens, as plantas aumentaram em altura e tamanho. Durante o período Carbonífero, florestas pantanosas de musgos e rabos de cavalo — alguns espécimes atingindo alturas de mais de 30 m (100 pés) — cobriam a maior parte da terra. Essas florestas deram origem aos extensos depósitos de carvão que deram nome ao Carbonífero. Em plantas vasculares sem sementes, o esporófito se tornou a fase dominante do ciclo de vida.

A água ainda é necessária para a fertilização de plantas vasculares sem sementes, e a maioria favorece um ambiente úmido. Os traqueófitos modernos sem sementes incluem musgos, rabos de cavalo, samambaias e samambaias batedoras.

Filo Lycopodiophyta: Club Mosses

Os musgos do clube, ou filo Lycopodiophyta, são o primeiro grupo de plantas vasculares sem sementes. Eles dominaram a paisagem do Carbonífero, transformando-se em árvores altas e formando grandes florestas pantanosas. Os musgos-taco de hoje são plantas diminutas e perenes que consistem em um caule (que pode ser ramificado) e microfilos (Figura\(\PageIndex{1}\)). O filo Lycopodiophyta consiste em cerca de 1.200 espécies, incluindo os quillworts (Isoetales), os musgos club (Lycopodiales) e os musgos espigões (Selaginellales), nenhum dos quais são verdadeiros musgos ou briófitos.

As licófitas seguem o padrão de alternância de gerações observado nas briófitas, exceto que o esporófito é o principal estágio do ciclo de vida. Os gametófitos não dependem do esporófito para obter nutrientes. Alguns gametófitos se desenvolvem no subsolo e formam associações micorrízicas com fungos. Nos musgos de taco, o esporófito dá origem a esporofilas dispostas em estrobili, estruturas em forma de cone que dão nome à classe. Os licófitos podem ser homosporosos ou heterosporosos.

Filo Monilophyta: Classe Equisetopsida (cavalinhas)

Cavalinhas, samambaias e samambaias pertencem ao filo Monilophyta, com rabos de cavalo colocados na Classe Equisetopsida. O único gênero Equisetum é o sobrevivente de um grande grupo de plantas, conhecido como Arthrophyta, que produziu árvores grandes e florestas pantanosas inteiras no Carbonífero. As plantas geralmente são encontradas em ambientes úmidos e pântanos (Figura\(\PageIndex{2}\)).

O caule de um rabo de cavalo é caracterizado pela presença de juntas ou nódulos, daí o nome Arthrophyta (arthro- = “articulação”; -phyta = “planta”). Folhas e galhos saem como espirais das juntas uniformemente espaçadas. As folhas em forma de agulha não contribuem muito para a fotossíntese, a maioria das quais ocorre no caule verde (Figura\(\PageIndex{3}\)).

A sílica se acumula nas células epidérmicas, contribuindo para a rigidez das plantas de cavalinha. Os caules subterrâneos conhecidos como rizomas ancoram as plantas ao solo. As cavalinhas modernas são homosporosas e produzem gametófitos bissexuais.

Filo Monilophyta: Classe Psilotopsida (samambaias)

Enquanto a maioria das samambaias forma folhas grandes e raízes ramificadas, as samambaias, Classe Psilotopsida, carecem de raízes e folhas, provavelmente perdidas pela redução. A fotossíntese ocorre em seus caules verdes, e pequenos botões amarelos se formam na ponta do caule do ramo e contêm os esporângios. As samambaias batedoras foram consideradas pterófitas precoces. No entanto, análises comparativas recentes de DNA sugerem que esse grupo pode ter perdido tecido vascular e raízes durante a evolução e está mais intimamente relacionado às samambaias.

Filo Monilophyta: Classe Psilotopsida (samambaias)

Com suas folhas grandes, as samambaias são as plantas vasculares sem sementes mais facilmente reconhecíveis. São consideradas as plantas vasculares sem sementes mais avançadas e apresentam características comumente observadas em plantas com sementes. Mais de 20.000 espécies de samambaias vivem em ambientes que variam de trópicos a florestas temperadas. Embora algumas espécies sobrevivam em ambientes secos, a maioria das samambaias está restrita a locais úmidos e sombreados. As samambaias apareceram no registro fóssil durante o período Devoniano e se expandiram durante o Carbonífero.

O estágio dominante do ciclo de vida de uma samambaia é o esporófito, que consiste em grandes folhas compostas chamadas frondes. As frondes desempenham um papel duplo: são órgãos fotossintéticos que também transportam órgãos reprodutivos. O caule pode ser enterrado no subsolo como um rizoma, a partir do qual raízes adventícias crescem para absorver água e nutrientes do solo; ou podem crescer acima do solo como um tronco em samambaias (Figura\(\PageIndex{5}\)). Órgãos adventícios são aqueles que crescem em lugares incomuns, como raízes que crescem na lateral de um caule.

A ponta de uma folha de samambaia em desenvolvimento é enrolada em um crozier ou cabeça de violino (Figura\(\PageIndex{6}\)). Os violinos se desenrolam à medida que a fronde se desenvolve.

Para ver uma animação do ciclo de vida de uma samambaia e testar seus conhecimentos, acesse o site.

A maioria das samambaias produz o mesmo tipo de esporos e, portanto, são homosporosas. O esporófito diploide é o estágio mais visível do ciclo de vida. Na parte inferior de suas frondes maduras, o sori (singular, soro) se forma como pequenos aglomerados onde os esporângios se desenvolvem (Figura\(\PageIndex{8}\)).

Dentro do sori, os esporos são produzidos pela meiose e liberados no ar. Aqueles que pousam em um substrato adequado germinam e formam um gametófito em forma de coração, que é preso ao solo por finos rizóides filamentosos (Figura\(\PageIndex{9}\)).

O imperceptível gametófito abriga ambas as gametangias sexuais. Os espermatozoides flagelados liberados do anteridium nadam em uma superfície úmida até o arquegônio, onde o óvulo é fertilizado. O zigoto recém-formado se transforma em um esporófito que emerge do gametófito e cresce por mitose para a próxima geração de esporófito.

Conexão de carreira: paisagista

Olhando para os canteiros bem definidos de flores e fontes nos jardins dos castelos reais e casas históricas da Europa, fica claro que os criadores dos jardins conheciam mais do que arte e design. Eles também estavam familiarizados com a biologia das plantas que escolheram. O paisagismo também tem fortes raízes na tradição dos Estados Unidos. Um excelente exemplo do design clássico americano antigo é Monticello: a propriedade particular de Thomas Jefferson. Entre seus muitos interesses, Jefferson manteve uma forte paixão pela botânica. O layout da paisagem pode abranger um pequeno espaço privado, como um jardim no quintal; locais de encontro públicos, como o Central Park em Nova York; ou uma planta de cidade inteira, como o projeto de Pierre L'Enfant para Washington, DC.

Um paisagista planejará espaços públicos tradicionais, como jardins botânicos, parques, campi universitários, jardins e empreendimentos maiores, bem como áreas naturais e jardins privados. A restauração de lugares naturais invadidos pela intervenção humana, como áreas úmidas, também requer a experiência de um paisagista.

Com uma variedade de habilidades necessárias, a formação de um paisagista inclui uma sólida formação em botânica, ciência do solo, fitopatologia, entomologia e horticultura. Cursos em software de arquitetura e design também são necessários para a conclusão do curso. O projeto bem-sucedido de uma paisagem se baseia em um amplo conhecimento dos requisitos de crescimento das plantas, como luz e sombra, níveis de umidade, compatibilidade de diferentes espécies e suscetibilidade a patógenos e pragas. Musgos e samambaias prosperarão em uma área sombreada, onde as fontes fornecem umidade; os cactos, por outro lado, não se sairiam bem nesse ambiente. O crescimento futuro de plantas individuais deve ser levado em consideração, para evitar aglomeração e competição por luz e nutrientes. A aparência do espaço ao longo do tempo também é preocupante. Formas, cores e biologia devem ser equilibradas para um espaço verde sustentável e bem mantido. Arte, arquitetura e biologia se misturam em uma paisagem lindamente projetada e implementada.

A importância das plantas vasculares sem sementes

Musgos e hepáticas costumam ser os primeiros organismos macroscópicos a colonizar uma área, tanto em uma sucessão primária - onde a terra nua é colonizada pela primeira vez por organismos vivos - quanto em uma sucessão secundária, onde o solo permanece intacto após um evento catastrófico destruir muitas espécies existentes. Seus esporos são transportados pelo vento, pássaros ou insetos. Uma vez estabelecidos os musgos e as hepáticas, eles fornecem alimento e abrigo para outras espécies. Em um ambiente hostil, como a tundra, onde o solo está congelado, as briófitas crescem bem porque não têm raízes e podem secar e se reidratar rapidamente quando a água estiver novamente disponível. Os musgos estão na base da cadeia alimentar no bioma da tundra. Muitas espécies — de pequenos insetos a bois almiscarados e renas — dependem dos musgos para se alimentar. Por sua vez, os predadores se alimentam dos herbívoros, que são os principais consumidores. Alguns relatos indicam que as briófitas tornam o solo mais passível de colonização por outras plantas. Como estabelecem relações simbióticas com cianobactérias fixadoras de nitrogênio, os musgos reabastecem o solo com nitrogênio.

No final do século XIX, cientistas observaram que líquenes e musgos estavam se tornando cada vez mais raros em áreas urbanas e suburbanas. Como as briófitas não têm um sistema radicular para absorção de água e nutrientes, nem uma camada de cutícula que as proteja da dessecação, os poluentes da água da chuva penetram rapidamente em seus tecidos; elas absorvem umidade e nutrientes por toda a superfície exposta. Portanto, os poluentes dissolvidos na água da chuva penetram rapidamente nos tecidos das plantas e têm um impacto maior nos musgos do que em outras plantas. O desaparecimento dos musgos pode ser considerado um bioindicador do nível de poluição do meio ambiente.

As samambaias contribuem para o meio ambiente promovendo o desgaste das rochas, acelerando a formação da camada superficial do solo e diminuindo a erosão ao espalhar rizomas no solo. As samambaias aquáticas do gênero Azolla abrigam cianobactérias fixadoras de nitrogênio e restauram esse importante nutriente nos habitats aquáticos.

As plantas sem sementes têm historicamente desempenhado um papel na vida humana por meio de usos como ferramentas, combustível e medicamentos. O musgo de turfa seco, Sphagnum, é comumente usado como combustível em algumas partes da Europa e é considerado um recurso renovável. Os pântanos de esfagno (Figura\(\PageIndex{11}\)) são cultivados com arbustos de cranberry e mirtilo. A capacidade do Sphagnum de reter a umidade torna o musgo um condicionador comum do solo. Os floristas usam blocos de esfagno para manter a umidade dos arranjos florais.

As atraentes folhas das samambaias fazem delas a planta ornamental favorita. Como eles prosperam com pouca luz, eles são adequados como plantas domésticas. Mais importante ainda, os violinos são um alimento tradicional de primavera dos nativos americanos no noroeste do Pacífico e são populares como acompanhamento na culinária francesa. A samambaia de alcaçuz, Polypodium glycyrrhiza, faz parte da dieta das tribos costeiras do noroeste do Pacífico, devido em parte à doçura de seus rizomas. Tem um leve sabor de alcaçuz e serve como adoçante. O rizoma também figura na farmacopeia dos nativos americanos por suas propriedades medicinais e é usado como remédio para dor de garganta.

Link para o aprendizado

Acesse este site para saber como identificar espécies de samambaias com base em seus violinos.

De longe, o maior impacto das plantas vasculares sem sementes na vida humana, no entanto, vem de seus progenitores extintos. Os altos musgos, rabos de cavalo e samambaias semelhantes a árvores que floresceram nas florestas pantanosas do período Carbonífero deram origem a grandes depósitos de carvão em todo o mundo. O carvão forneceu uma fonte abundante de energia durante a Revolução Industrial, que teve consequências tremendas nas sociedades humanas, incluindo o rápido progresso tecnológico e o crescimento das grandes cidades, bem como a degradação do meio ambiente. O carvão ainda é a principal fonte de energia e também um dos principais contribuintes para o aquecimento global.

Resumo

Os sistemas vasculares consistem no tecido do xilema, que transporta água e minerais, e no tecido do floema, que transporta açúcares e proteínas. Com o desenvolvimento do sistema vascular, surgiram folhas para atuar como grandes órgãos fotossintéticos e raízes para acessar a água do solo. Folhas pequenas e sem complicações são microfilos. Folhas grandes com padrões de veias são megafilas. Folhas modificadas que apresentam esporângios são esporófilas. Algumas esporofilas estão dispostas em estruturas cônicas chamadas estrobili.

As plantas vasculares sem sementes incluem musgos, que são os mais primitivos; samambaias, que perderam folhas e raízes por evolução redutora; e cavalinhas e samambaias. As samambaias são o grupo mais avançado de plantas vasculares sem sementes. Eles se distinguem por folhas grandes chamadas frondes e pequenas estruturas contendo esporângios chamadas sori, que são encontradas na parte inferior das folhas.

Os musgos desempenham um papel essencial no equilíbrio dos ecossistemas; são espécies pioneiras que colonizam ambientes nus ou devastados e possibilitam a ocorrência de uma sucessão. Eles contribuem para o enriquecimento do solo e fornecem abrigo e nutrientes para animais em ambientes hostis. Musgos e samambaias podem ser usados como combustíveis e servir para fins culinários, médicos e decorativos.

Conexões artísticas

Figura\(\PageIndex{7}\): Which of the following statements about the fern life cycle is false?

1. Sporangia produce haploid spores.
2. The sporophyte grows from a gametophyte.
3. The sporophyte is diploid and the gametophyte is haploid.
4. Sporangia form on the underside of the gametophyte.

Glossary