Percepção da planta (fisiologia) - Plant perception (physiology)

O fechamento da folha após o toque na Mimosa pudica depende de sinais elétricos

A percepção das plantas é a habilidade das plantas de sentir e responder ao ambiente ajustando sua morfologia e fisiologia . A pesquisa botânica revelou que as plantas são capazes de reagir a uma ampla gama de estímulos , incluindo produtos químicos , gravidade , luz , umidade , infecções , temperatura , concentrações de oxigênio e dióxido de carbono , infestação de parasitas , doenças , perturbações físicas, som e toque . O estudo científico da percepção das plantas é informado por várias disciplinas, como fisiologia vegetal , ecologia e biologia molecular .

Aspectos de percepção

Luz

O girassol, uma planta heliotrópica comum que percebe e reage à luz solar por meio de um movimento de rotação lento

Muitos órgãos das plantas contêm fotorreceptores ( fototropinas , criptocromos e fitocromos ), cada um dos quais reage muito especificamente a certos comprimentos de onda de luz. Esses sensores de luz informam à planta se é dia ou noite, quanto tempo o dia dura, quanta luz está disponível e de onde vem a luz. Os brotos geralmente crescem em direção à luz, enquanto as raízes se afastam dela, respostas conhecidas como fototropismo e escototropismo, respectivamente. Eles são produzidos por pigmentos sensíveis à luz como fototropinas e fitocromos e o hormônio vegetal auxina .

Muitas plantas exibem certos comportamentos em horas específicas do dia; por exemplo, flores que abrem apenas de manhã. As plantas controlam a hora do dia com um relógio circadiano . Esse relógio interno é sincronizado com a hora solar todos os dias usando a luz do sol, a temperatura e outras pistas, semelhantes aos relógios biológicos presentes em outros organismos. O relógio interno aliado à capacidade de perceber a luz também permite às plantas medir a hora do dia e assim determinar a estação do ano. É assim que muitas plantas sabem quando florescer (veja fotoperiodismo ). As sementes de muitas plantas brotam apenas depois de serem expostas à luz. Esta resposta é realizada por sinalização fitocromática. As plantas também são capazes de sentir a qualidade da luz e responder apropriadamente. Por exemplo, em condições de pouca luz, as plantas produzem mais pigmentos fotossintéticos. Se a luz for muito brilhante ou se os níveis de radiação ultravioleta prejudicial aumentarem, as plantas produzem mais de seus pigmentos protetores que atuam como filtros solares.

Gravidade

Para se orientar corretamente, as plantas devem ser capazes de sentir a direção da gravidade . A resposta subsequente é conhecida como gravitropismo .

Nas raízes, a gravidade é sentida e traduzida na ponta da raiz , que então cresce ao se alongar na direção da gravidade. Nos brotos, o crescimento ocorre na direção oposta, fenômeno conhecido como gravitropismo negativo. Os caules do choupo podem detectar a reorientação e inclinação ( equilíbrio da cepção) através do gravitropismo.

Gavinha de videira ( Vitis ). Observe como a planta alcança e envolve o arame galvanizado fornecido para esse propósito. Este é um galho muito resistente e parece não ter outra finalidade a não ser apoiar a planta. Nada mais cresce a partir disso. Deve estender-se suavemente, depois enrolar, secar e endurecer. Veja mais em timotropismo .

Na ponta da raiz, os amiloplastos contendo grânulos de amido caem na direção da gravidade. Esse peso ativa receptores secundários, que sinalizam para a planta a direção da atração gravitacional. Depois que isso ocorre, a auxina é redistribuída através do transporte de auxina polar e o crescimento diferencial em direção à gravidade começa. Na parte aérea, a redistribuição de auxina ocorre de forma a produzir crescimento diferencial longe da gravidade.

Para que a percepção ocorra, a planta frequentemente deve ser capaz de sentir, perceber e traduzir a direção da gravidade. Sem a gravidade, a orientação adequada não ocorrerá e a planta não crescerá efetivamente. A raiz não será capaz de absorver nutrientes ou água, e o broto não crescerá em direção ao céu para maximizar a fotossíntese .

Tocar

O timotropismo é o movimento direcional que ocorre nas plantas que respondem ao toque físico. Plantas trepadeiras, como tomates, exibem timotropismo, permitindo que se enrolem em torno de objetos. Essas respostas são geralmente lentas (na ordem de várias horas) e podem ser melhor observadas com cinematografia de lapso de tempo , mas movimentos rápidos também podem ocorrer. Por exemplo, a chamada "planta sensível" ( Mimosa pudica ) responde ao mais leve toque físico dobrando rapidamente suas finas folhas pinadas de modo que elas apontem para baixo, e plantas carnívoras como a armadilha da Vênus ( Dionaea muscipula ) produzem folhas especializadas estruturas que se fecham quando tocadas ou pousadas por insetos. Na armadilha da Vênus, o toque é detectado pelos cílios que revestem o interior das folhas especializadas, que geram um potencial de ação que estimula as células motoras e faz com que o movimento ocorra.

Cheiro

Plantas feridas ou infectadas produzem odores voláteis distintos (por exemplo, metil jasmonato , metil salicilato , folhas verdes voláteis ), que por sua vez podem ser percebidos pelas plantas vizinhas. As plantas que detectam esses tipos de sinais voláteis geralmente respondem aumentando suas defesas químicas ou se preparam para o ataque, produzindo produtos químicos que os defendem contra insetos ou atraem insetos predadores.

Transdução de sinal

Hormônios vegetais e sinais químicos

As plantas usam sistematicamente as vias de sinalização hormonal para coordenar seu desenvolvimento e morfologia .

As plantas produzem várias moléculas de sinal geralmente associadas ao sistema nervoso animal , como glutamato , GABA , acetilcolina , melatonina e serotonina . Eles também podem usar ATP , NO e ROS para sinalizar de maneiras semelhantes às dos animais.

Eletrofisiologia

As plantas têm uma variedade de métodos de entrega de sinais elétricos. Os quatro métodos de propagação comumente reconhecidos incluem potenciais de ação (APs), potenciais de variação (VPs), potenciais elétricos locais (LEPs) e potenciais sistêmicos (SPs)

Embora as células vegetais não sejam neurônios , elas podem ser eletricamente excitáveis e podem exibir respostas elétricas rápidas na forma de APs a estímulos ambientais. Os APs permitem o movimento de íons e moléculas de sinalização da célula pré-potencial para a (s) célula (s) pós-potencial. Esses sinais eletrofisiológicos são constituídos por fluxos gradientes de íons como H ⁺ , K ⁺ , Cl ^- , Na ⁺ e Ca ^2+, mas também se pensa que outros íons carregam eletricamente, como Fe ³⁺ , Al ³⁺ , Mg ^{2 +} , Zn ²⁺ , Mn ²⁺ e Hg ²⁺ também podem desempenhar um papel nas saídas a jusante. A manutenção do gradiente eletroquímico de cada íon é vital para a saúde da célula, pois se ela algum dia atingir o equilíbrio com seu ambiente, ela estará morta. Este estado morto pode ser devido a uma variedade de razões, como bloqueio do canal iônico ou perfuração da membrana.

Esses íons eletrofisiológicos se ligam a receptores na célula receptora, causando efeitos a jusante resultantes de uma ou de uma combinação de moléculas presentes. Este meio de transferência de informações e ativação de respostas fisiológicas por meio de um sistema de molécula de sinalização é mais rápido e frequente na presença de APs.

Esses potenciais de ação podem influenciar processos como fluxo citoplasmático baseado em actina , movimentos de órgãos da planta , respostas de feridas, respiração, fotossíntese e floração . Essas respostas elétricas podem causar a síntese de várias moléculas orgânicas , incluindo aquelas que atuam como substâncias neuroativas em outros organismos, como os íons de cálcio .

O fluxo de íons através das células também influencia o movimento de outras moléculas e solutos. Isso muda o gradiente osmótico da célula, resultando em mudanças na pressão de turgescência nas células vegetais por água e fluxo de soluto através das membranas celulares. Essas variações são vitais para a absorção de nutrientes, crescimento, muitos tipos de movimentos (tropismos e movimentos nasticos), entre outras fisiologia e comportamento básicos da planta. (Higinbotham 1973; Scott 2008; Segal 2016).

Assim, as plantas alcançam respostas comportamentais em contextos ambientais, comunicativos e ecológicos.

Percepção de sinal

O comportamento das plantas é mediado por fitocromos , cininas , hormônios , liberação de antibióticos ou outros produtos químicos, mudanças no transporte de água e produtos químicos e outros meios.

As plantas têm muitas estratégias para combater as pragas . Por exemplo, eles podem produzir uma grande quantidade de toxinas químicas diferentes contra predadores e parasitas ou podem induzir a morte celular rápida para evitar a disseminação de agentes infecciosos. As plantas também podem responder a sinais voláteis produzidos por outras plantas. Os níveis de jasmonato também aumentam rapidamente em resposta a perturbações mecânicas, como enrolamento de gavinhas .

Nas plantas, o mecanismo responsável pela adaptação é a transdução de sinal . As respostas adaptativas incluem:

Procura ativa de luz e nutrientes. Eles fazem isso mudando sua arquitetura, por exemplo, crescimento e direção do ramo, fisiologia e fenótipo.
Folhas e galhos sendo posicionados e orientados em resposta a uma fonte de luz.
Detectando o volume do solo e adaptando o crescimento de acordo, independentemente da disponibilidade de nutrientes .
Defendendo-se dos herbívoros .

Inteligência vegetal

As plantas não têm cérebros ou redes neuronais como os animais; no entanto, as reações dentro das vias de sinalização podem fornecer uma base bioquímica para o aprendizado e a memória , além de computação e solução de problemas básicos. Controversamente, o cérebro é usado como uma metáfora por alguns pesquisadores da percepção das plantas para fornecer uma visão integrada da sinalização.

As plantas respondem a estímulos ambientais por movimento e mudanças na morfologia . Eles se comunicam enquanto competem ativamente por recursos. Além disso, as plantas calculam com precisão suas circunstâncias, usam análises sofisticadas de custo-benefício e tomam ações rigidamente controladas para mitigar e controlar diversos estressores ambientais. As plantas também são capazes de discriminar entre experiências positivas e negativas e de aprender registrando memórias de suas experiências passadas. As plantas usam essas informações para adaptar seu comportamento a fim de sobreviver aos desafios presentes e futuros de seus ambientes.

A fisiologia vegetal estuda o papel da sinalização para integrar os dados obtidos nos níveis genético , bioquímico , celular e fisiológico , a fim de compreender o desenvolvimento e o comportamento das plantas. A visão neurobiológica vê as plantas como organismos processadores de informação com processos bastante complexos de comunicação ocorrendo em toda a planta individual. Ele estuda como as informações ambientais são coletadas, processadas, integradas e compartilhadas (biologia sensorial da planta) para permitir essas respostas adaptativas e coordenadas (comportamento da planta); e como as percepções sensoriais e eventos comportamentais são "lembrados" para permitir previsões de atividades futuras com base em experiências passadas. As plantas, afirmam alguns fisiologistas vegetais, são tão sofisticadas em comportamento quanto os animais, mas essa sofisticação foi mascarada pelas escalas de tempo das respostas das plantas aos estímulos, que são tipicamente muitas ordens de magnitude mais lentas do que as dos animais.

Argumentou-se que, embora as plantas sejam capazes de adaptação, isso não deveria ser chamado de inteligência per se , já que os neurobiologistas de plantas confiam principalmente em metáforas e analogias para argumentar que respostas complexas em plantas só podem ser produzidas pela inteligência. "Uma bactéria pode monitorar seu ambiente e instigar processos de desenvolvimento apropriados às circunstâncias prevalecentes, mas isso é inteligência? Esse comportamento de adaptação simples pode ser inteligência bacteriana, mas claramente não é inteligência animal." No entanto, a inteligência das plantas se encaixa na definição de inteligência proposta por David Stenhouse em um livro sobre evolução e inteligência animal, no qual ele a descreve como "comportamento adaptativamente variável durante a vida do indivíduo". Os críticos do conceito também argumentaram que uma planta não pode ter objetivos depois de passar do estágio de desenvolvimento da muda porque, como um organismo modular, cada módulo busca seus próprios objetivos de sobrevivência e o comportamento resultante no nível do organismo não é controlado centralmente. Essa visão, no entanto, necessariamente acomoda a possibilidade de que uma árvore seja uma coleção de módulos individualmente inteligentes cooperando, competindo e influenciando uns aos outros para determinar o comportamento de baixo para cima. O desenvolvimento em um organismo maior, cujos módulos devem lidar com diferentes condições e desafios ambientais não é universal entre as espécies de plantas, no entanto, como organismos menores podem estar sujeitos às mesmas condições em seus corpos, pelo menos, quando as partes abaixo e acima do solo são consideradas separadamente. Além disso, a alegação de que o controle central do desenvolvimento está completamente ausente das plantas é facilmente falseada pela dominância apical .

O botânico italiano Federico Delpino escreveu sobre a ideia da inteligência das plantas em 1867. Charles Darwin estudou o movimento nas plantas e em 1880 publicou um livro, The Power of Movement in Plants . Darwin conclui:

Não é exagero dizer que a ponta da radícula assim dotada [...] age como o cérebro de um dos animais inferiores; o cérebro estando situado na extremidade anterior do corpo, recebendo impressões dos órgãos dos sentidos e dirigindo os vários movimentos.

Em 2020, Paco Calvo estudou a dinâmica dos movimentos das plantas e investigou se os feijões franceses visam deliberadamente estruturas de suporte. Calvo disse: “Vemos essas assinaturas de comportamento complexo, a única diferença é que não é baseado em neurônios, como é nos humanos. Este não é apenas um comportamento adaptativo, é um comportamento antecipatório, direcionado a um objetivo e flexível. ”

Na filosofia, existem poucos estudos sobre as implicações da percepção das plantas. Michael Marder apresentou uma fenomenologia da vida vegetal com base na fisiologia da percepção das plantas. Paco Calvo Garzon oferece uma visão filosófica da percepção das plantas com base nas ciências cognitivas e na modelagem computacional da consciência.

Comparação com neurobiologia

Os sistemas sensoriais e de resposta das plantas foram comparados aos processos neurobiológicos dos animais. A neurobiologia vegetal diz respeito principalmente ao comportamento adaptativo sensorial das plantas e à eletrofisiologia vegetal . O cientista indiano JC Bose é considerado a primeira pessoa a pesquisar e falar sobre a neurobiologia das plantas. Muitos cientistas de plantas e neurocientistas, no entanto, consideram o termo "neurobiologia de plantas" um nome impróprio, porque as plantas não têm neurônios.

As ideias por trás da neurobiologia vegetal foram criticadas em um artigo de 2007 publicado em Trends in Plant Science por Amedeo Alpi e 35 outros cientistas, incluindo biólogos de plantas eminentes como Gerd Jürgens , Ben Scheres e Chris Sommerville. A amplitude dos campos da ciência das plantas representada por esses pesquisadores reflete o fato de que a vasta maioria da comunidade de pesquisa da ciência das plantas rejeita a neurobiologia das plantas como uma noção legítima. Seus principais argumentos são:

"A neurobiologia vegetal não adiciona a nossa compreensão da fisiologia vegetal, biologia celular vegetal ou sinalização".
“Não há evidências de estruturas como neurônios, sinapses ou um cérebro nas plantas”.
A ocorrência comum de plasmodesmos em plantas "representa um problema para a sinalização de um ponto de vista eletrofisiológico", uma vez que o acoplamento elétrico extenso impediria a necessidade de qualquer transporte célula a célula de compostos 'semelhantes a neurotransmissores '.

Os autores pedem o fim de "analogias superficiais e extrapolações questionáveis" se o conceito de "neurobiologia vegetal" é para beneficiar a comunidade de pesquisa. Várias respostas a essa crítica tentaram esclarecer que o termo "neurobiologia vegetal" é uma metáfora e que as metáforas se mostraram úteis em ocasiões anteriores. A ecofisiologia vegetal descreve esse fenômeno.

Paralelos em outros táxons

Os conceitos de percepção, comunicação e inteligência das plantas têm paralelos em outros organismos biológicos para os quais tais fenômenos parecem estranhos ou incompatíveis com os entendimentos tradicionais da biologia, ou de outra forma se mostraram difíceis de estudar ou interpretar. Mecanismos semelhantes existem em células bacterianas , coanoflagelados , hifas fúngicas e esponjas , entre muitos outros exemplos. Todos esses organismos, apesar de serem desprovidos de cérebro ou sistema nervoso, são capazes de sentir seu ambiente imediato e momentâneo e responder de acordo. No caso da vida unicelular, as vias sensoriais são ainda mais primitivas no sentido de que ocorrem na superfície de uma única célula, em oposição a dentro de uma rede de muitas células relacionadas.

Veja também

Referências

Leitura adicional

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