1. Inovações evolutivas. Causas do sucesso evolutivo das angiospérmicas
Inovações maiores
O sucesso evolutivo das angiospérmicas é inquestionável. Embora sejam o mais recente grande grupo de plantas, excetuando as florestas boreais de acrogimnospérmicas (a taiga) e as formações árticas de musgos e líquenes (a tundra), dominam a grande maioria dos ecossistemas terrestres. A maior parte da produtividade primária terrestre é da sua responsabilidade. As angiospérmicas são francamente mais diversas do que os restantes grandes grupos de plantas vasculares, atuais ou fósseis. Representam ~80% das espécies de plantas terrestres, com ~300 000 espécies atuais enquadradas em 416 famílias (APG IV, 2016).
Há um grande debate em torno do sucesso das angiospérmicas, seja ele avaliado em número de espécies ou medido pela sua abundância ou dominância ecológica. A explicação parece ser multifatorial, envolvendo uma interação entre as características endógenas e o potencial evolutivo das angiospérmicas (e dos seus competidores mais diretos, as acrogimnospérmicas) e um lento deslizar das condições ambientais no Cretácico Superior (v. Crepet & Niklas, 2009; Niklas, 2016).
As angiospérmicas reúnem doze grandes inovações evolutivas que explicam em boa parte o seu sucesso evolutivo e a regressão das acrogimnospérmicas:
- Elevadas taxas evolutivas, com as partes do corpo a evoluírem de forma quase independente e a diferentes velocidades (e.g., folha e flor);
- Frequência relativamente elevada de eventos de poliploidia com duplicação total do genoma (WGD), que fornecem redundância genética para novas funções;
- Corpo vegetativo de grande plasticidade fenotípica;
- Enorme diversidade metabólica (e.g., produção de metabolitos secundários para defesa química contra herbívoros e atração biótica);
- Sistema vascular mais eficiente e especializado no transporte de solutos (e.g., presença de elementos de vaso);
- Maior densidade de nervuras foliares;
- Fase juvenil curta;
- Coevolução com animais polinizadores e dispersores;
- Sistemas eficientes de promoção da alogamia;
- Reprodução muito mais rápida, com menor investimento energético a fundo perdido (Quadro 9);
- Produção de uma matéria orgânica lábil (facilmente degradável pelos micróbios);
- Capacidade de modificar o habitat a seu favor.
As vantagens evolutivas elencadas, assim como as condições ambientais prevalecentes aquando da sua evolução, serão desenvolvidas, com maior ou menor detalhe, ao longo deste capítulo.
QUADRO 9. Principais aquisições evolutivas (apomorfias) das plantas com flor a nível reprodutivo
| Aquisição Evolutiva | Descrição e Comentários |
| Carpelo | Megasporofilo ♀ que encerra os primórdios seminais. |
| Germinação estigmática do pólen | Nas acrogimnospérmicas, o pólen germina diretamente no micrópilo; nas angiospérmicas, o pólen é capturado pelo estigma, germina e diferencia um tubo polínico que progride pelo estilete ao encontro dos primórdios seminais protegidos no ovário. |
| Segundo tegumento | O primórdio seminal das acrogimnospérmicas tem apenas 1 tegumento (unitegumentado). As angiospérmicas basais desenvolveram um 2.º tegumento (bitegumentado), embora, secundariamente, algumas linhagens tenham voltado a ter apenas um. |
| Megagametófito reduzido | Megagametófito (saco embrionário) reduzido tipicamente a 7 células e 8 núcleos, um número e dimensão substancialmente inferiores aos do volumoso megagametófito das acrogimnospérmicas. |
| Dupla fecundação | Envolve duas células espermáticas libertadas pelo tubo polínico: uma fertiliza a oosfera (formando o zigoto diploide) e a outra fertiliza a célula central (originando o endosperma triploide). |
| Perianto | Duas funções maiores: proteção e fotossíntese de proximidade (cálice) e atração/seleção de polinizadores (corola). |
| Fruto | Resulta do amadurecimento e desenvolvimento das paredes do ovário (e, por vezes, de estruturas anexas). |
Corpo vegetativo
A plasticidade fenotípica permite que um dado genótipo produza múltiplos fenótipos ao longo de gradientes ecológicos. As vantagens da plasticidade fenotípica foram elucidadas no início do Volume I e no ponto «Adaptação vs. aclimatação» deste volume. Em seguida discutem-se alguns aspetos da flexibilidade evolutiva do corpo, o sistema vascular e a densidade de nervuras das angiospérmicas. Várias formas de mutualismo com animais e a evolução e as vantagens do corpo reprodutivo das angiospérmicas são os temas fortes de vários pontos deste sexto capítulo. As angiospérmicas modificaram as características do solo e por essa via ganharam poder competitivo frente às acrogimnospérmicas; por razões pedagógicas, esta fascinante hipótese é avaliada perto do fim do capítulo, no ponto «O solo e as angiospérmicas».
A flexibilidade evolutiva do corpo vegetativo, conjugada com elevadas taxas evolutivas, permitiu a rápida adaptação das angiospérmicas a uma multitude de habitats e de regimes de perturbação; e.g., desertos (xeromorfia), copa das árvores (epifitia), sistemas dulçaquícolas (hidrofitia) e perturbação intensa pela herbivoria ou pelo fogo. Por exemplo, o ciclo de vida anual, dominante nas áreas desérticas, é quase exclusivo das angiospérmicas (são conhecidos alguns fetos anuais e nenhuma acrogimnospérmica). Taxas evolutivas elevadas são uma pré-condição para a coevolução com os animais («Coevolução com insetos e diversidade») e podem ser relevantes na velocidade a que as plantas migram e eventualmente escapam à extinção perante alterações climáticas globais (Williams et al., 2016).
A eficiência acrescida do sistema vascular deve-se à presença de elementos de vaso xilémico (tipo celular quase exclusivo das angiospérmicas), elementos de tubo crivoso e células companheiras mais eficientes. Nas angiospérmicas lenhosas, o equilíbrio mecânico da parte aérea faz-se predominantemente com a ajuda de fibras xilémicas (esclerênquima), porque os elementos de vaso, embora ótimos para a condução de água, conferem menos rigidez estrutural às plantas do que os estreitos traqueídos das gimnospérmicas.
Mesmo nas grandes árvores, um terço a três quintos da resistência hidráulica estão concentrados em poucos centímetros das folhas, porque, antes de sair para a atmosfera, a água tem de abandonar o xilema e percorrer o mesofilo foliar (Sack & Holbrook, 2006). De modo a mitigar esta restrição, a densidade de nervuras (vein density) nas angiospérmicas — medida, por exemplo, em mm de nervura por mm2 de superfície foliar — é francamente superior à dos outros grupos de plantas vasculares (Boyce et al., 2009). A cadeia causal é clara: menor resistência hidráulica -> células foliares mais facilmente hidratadas -> estomas abertos durante mais tempo -> melhor abastecimento em CO2 -> maior taxa fotossintética.
O sistema vascular e a densidade de nervuras das angiospérmicas refletiram-se num aumento das taxas de transpiração, de extração de CO2 da atmosfera e de crescimento. As angiospérmicas fósseis do Cretácico Inferior apresentam densidades de nervuras mais baixas nas folhas do que as espécies do Cretácico Superior e do Paleogénico, uma observação coerente com a hipótese de as angiospérmicas se terem adaptado a novas ecologias a partir do final do Cretácico (Feild et al., 2011). De qualquer modo, desde uma fase muito precoce da sua história evolutiva que as plantas com flor transpiram mais água e crescem mais depressa do que as acrogimnospérmicas. O aparecimento das plantas com flor aumentou a produtividade primária global de forma drástica.
Biologia da reprodução
A maior eficácia e eficiência reprodutiva é uma consequência direta das novidades estruturais e funcionais reprodutivas resumidas no Quadro 9. A germinação estigmática do pólen favoreceu a evolução de sistemas eficientes de promoção da alogamia (e.g., sistemas anatómicos ou genéticos de autoincompatibilidade) e de feroz seleção de gâmetas (competição entre tubos polínicos ao longo do estilete). O segundo tegumento aumentou a proteção do gametófito ♀. Um megagametófito de menor dimensão implicou um menor investimento parental antes da fertilização; o investimento parental foi antes concentrado na formação do embrião e dos tecidos de suporte após o sucesso do cruzamento.
A formação do endosperma após a fecundação reduziu brutalmente o desperdício de energia; nas acrogimnospérmicas, o megagametófito (que serve de tecido nutritivo) é totalmente diferenciado antes da fecundação, o que implica um investimento energético parental significativo de alto risco, pois a fecundação pode nunca chegar a acontecer, resultando numa semente vazia, mas que consumiu enormes recursos energéticos à planta-mãe. As peças do perianto, por seu turno, desempenham funções de proteção (cálice) e de atração e seleção mecânica de polinizadores (corola).
A expansão das angiospérmicas está inequivocamente associada a uma transição evolutiva da polinização anemófila (pelo vento), característica das gimnospérmicas, para a polinização biótica, com animais a realizarem a transferência direcionada de pólen em troca de recompensas alimentares. A interação com polinizadores animais tem ganhos energéticos assinaláveis (o desperdício de pólen é infinitamente menor do que atirá-lo ao vento) e aumenta a variação genética (amplia a probabilidade de cruzamentos cruzados entre indivíduos distantes e não parentes).
A rapidez da fecundação e formação das sementes nas angiospérmicas é, também ela, notável: nas acrogimnospérmicas (como nos pinheiros), este processo prolonga-se frequentemente por mais de um ano, enquanto uma angiospérmica pode florir, ser fecundada, produzir semente e disseminar-se em poucos dias ou semanas. Em condições ótimas, a Arabidopsis thaliana (Brassicaceae), a espécie de referência dos estudos genéticos vegetais, produz flores quatro a cinco semanas após a germinação, e sementes maduras três a quatro semanas depois (Rivero et al., 2014).
Além da função de proteção meiótica, o carpelo, depois de amadurecido e transformado em fruto, alargou incomensuravelmente as soluções evolutivas para a dispersão das sementes (zoocoria, hidrocoria, etc.). Nas acrogimnospérmicas (de semente "nua"), os primórdios seminais estão muito mais sujeitos à fitofagia por insetos, a doenças, ao efeito mecânico do vento e da chuva, e à dessecação; a dispersão destas está geralmente limitada à barocoria (gravidade) ou anemocoria (vento).
Por fim, o encurtamento drástico do período juvenil acelerou as taxas evolutivas das plantas com flor face às acrogimnospérmicas, pois ao aumentar dramaticamente o número de gerações possíveis por unidade de tempo, multiplicou-se a probabilidade de mutação, cruzamento e seleção natural.