Biologia do ensino médio · Grades 10–12
28A vida vegetal: prosperar enraizado
Um carvalho não consegue caminhar até a água, fugir de uma lagarta nem sair à procura de um parceiro. Ele fica onde a bolota dele caiu por três séculos, e nesse tempo levanta centenas de toneladas de água do solo, afasta milhares de espécies que o comeriam, vira as folhas para acompanhar a luz e manda o pólen e as bolotas dele pelo campo afora pelo vento e pelo gaio. Uma vida enraizada não é uma vida passiva; é um conjunto diferente de soluções para os mesmos problemas — alimentar-se, defender-se, mover-se, reproduzir-se — e este capítulo passa em revista essas soluções.
28.1 Um corpo construído para a troca
Proposição 28.1 (Dois sistemas, duas superfícies)
Uma planta com flor é organizada em dois sistemas: o sistema radicular no solo, que absorve água e íons minerais e ancora a planta, e o sistema caulinar no ar — caules e folhas —, que capta luz e gás carbônico. Cada um é uma vasta superfície de troca: as folhas de uma árvore grande estendem várias centenas de metros quadrados de superfície à luz, e as raízes dela, prolongadas por bilhões de pelos absorventes microscópicos, várias centenas de metros quadrados ao solo. Uma planta é, acima de tudo, um modo de espalhar superfície em duas direções a partir de um ponto fixo.
Evidence. Uma única planta de centeio cultivada por quatro meses numa caixa de terra tinha pelos absorventes, com um comprimento total de mais de e uma superfície de cerca de , dez vezes a das folhas dela. Um carvalho adulto carrega uns 250 000 folhas; um hectare de floresta apresenta ao céu de superfície foliar. Cortar os pelos absorventes de uma plântula, ou revestir as folhas, interrompe o crescimento dela em poucos dias. ∎
Definição 28.2 (Estômatos)
Um estômato é um poro na pele de uma folha, delimitado por duas células-guarda que o abrem inchando e o fecham murchando. Pelos estômatos abertos o gás carbônico entra para a fotossíntese e o vapor de água sai — a transpiração que uma planta não consegue evitar enquanto se alimenta. Uma folha carrega de cem a trezentos estômatos por milímetro quadrado, quase todos na face inferior; eles se abrem na luz e se fecham no escuro e na seca.
28.2 Mover água e alimento sem coração
Proposição 28.3 (Duas seivas)
Uma planta tem dois sistemas de transporte, os dois feitos de células longas unidas em tubos nas nervuras de todo órgão.
- O xilema carrega a seiva bruta — água e íons minerais absorvidos pelas raízes — para cima, até as folhas. A força motriz é a transpiração: a água que evapora das células da folha puxa para cima, desde as raízes, a coluna contínua de água do xilema, como um pavio puxa o óleo. Sem bomba, sem energia gasta pela planta: quem levanta é o sol.
- O floema carrega a seiva elaborada — água com os açúcares feitos pelas folhas — das folhas a todo órgão que os consome ou os armazena: pontas em crescimento, raízes, frutos, sementes, tubérculos. Ela flui da fonte ao dreno, na direção em que os drenos estiverem.
Evidence. Um caule cortado colocado em água tingida mostra o corante subindo pelo xilema, mais rápido num ramo que transpira que num fechado dentro de um saco; um ramo com as folhas removidas não levanta nada. Um anel de casca (que contém o floema) retirado de um tronco impede o açúcar de chegar às raízes, que passam fome em poucos meses, enquanto as folhas acima do anel continuam abastecidas de água; o açúcar se acumula acima do anel e a casca incha. Pulgões que se alimentam do floema com as bocas em forma de agulha dão, quando separados da agulha, uma gota de seiva açucarada sob pressão. ∎
Exemplo 28.4 (Os números de uma árvore)
Uma bétula adulta num dia de verão transpira de água, levantada por tubos de xilema de um décimo de milímetro de largura a por hora. Menos de 1% dessa água fica para a fotossíntese; o resto é o preço dos estômatos abertos. Em troca, as folhas fixam uns de gás carbônico em de açúcar, dos quais o floema entrega uma parte a cada ponta de raiz e a cada semente que amadurece.
28.3 Manter a posição
Proposição 28.5 (As defesas de um organismo enraizado)
Incapazes de fugir, as plantas se defendem no lugar.
- Estruturas: uma cutícula cerosa e a casca contra o ressecamento e a infecção; espinhos, acúleos, pelos urticantes e sílica contra os herbívoros; uma parede grossa de celulose em cada célula.
- Química: taninos que tornam as folhas indigestas, alcaloides amargos (cafeína, nicotina, morfina), toxinas, resinas e látex que selam ferimentos e envenenam insetos; muitos são feitos só depois de um ataque, e alguns são liberados como sinais voláteis que avisam as folhas vizinhas e atraem os predadores do inseto atacante.
- Tolerância e renovação: pontos de crescimento em cada nó, de modo que um ramo pastado rebrota; dormência ao longo do inverno ou da seca; sementes que esperam anos no solo.
Demonstração. Admitido neste nível. ∎
Exemplo 28.6 (A refeição de uma lagarta, respondida)
Poucas horas depois das primeiras mordidas de uma lagarta, um tomateiro fabrica, por todas as folhas dele, proteínas que bloqueiam as enzimas digestivas do inseto; em um dia, uma substância que ele libera no ar já atraiu uma vespa parasita até a lagarta. Os tomateiros vizinhos, que recebem o mesmo sinal pelo ar, começam a fabricar os bloqueadores da digestão antes que lagarta nenhuma chegue neles. A planta não se move, mas não está indefesa, e não está sozinha.
28.4 Crescer em direção a, crescer para longe de
Proposição 28.7 (O crescimento como movimento)
Uma planta se move crescendo. Os ramos dela crescem em direção à luz e contra a gravidade, as raízes dela em direção à gravidade e à água: tropismos, respostas de crescimento dirigidas. Eles são controlados por hormônios, dos quais o primeiro identificado, a auxina, é feito na ponta em crescimento de um ramo e transportado caule abaixo; as células que recebem mais auxina se alongam mais. A luz que incide num lado de um ramo desloca a auxina para o lado sombreado, que cresce mais rápido e curva o ramo em direção à luz.
Evidence. Plântulas de gramínea iluminadas de um lado se curvam em direção à luz; com a ponta coberta elas não se curvam, embora a região que se curva fique mais abaixo; cobertas só na base, elas se curvam normalmente: a ponta percebe, a base responde, e algo viaja entre as duas. Uma ponta cortada e colocada sobre um bloco de gel, e depois o gel colocado num lado de uma plântula decapitada, a faz se curvar para o lado oposto ao do bloco no escuro — a substância do gel, a auxina, basta. Medido diretamente, o lado sombreado de uma plântula iluminada guarda cerca do dobro da auxina do lado iluminado. ∎
28.5 Reproduzir-se sem se mover
Proposição 28.8 (As flores e os visitantes delas)
A flor é o órgão reprodutor da maioria das plantas terrestres: estames que fabricam o pólen, os gametas masculinos da planta, e um pistilo cujos óvulos guardam os gametas femininos. Como nenhum dos genitores se move, o pólen precisa ser levado de uma flor a outra — pelo vento, no caso das gramíneas e de muitas árvores, cujas flores pequenas e sem graça soltam pólen aos milhões, ou por animais, no caso da maioria das plantas com flor, cujas pétalas, aromas e néctar são o pagamento oferecido aos insetos, aves e morcegos que carregam pólen enquanto se alimentam. A flor e o polinizador muitas vezes evoluíram juntos, cada um adaptado à forma e aos hábitos do outro.
Demonstração. Admitido neste nível. ∎
Exemplo 28.9 (Formas que combinam)
Uma flor com um tubo de néctar de é visitada por uma mariposa de língua de , e por mais nada; uma flor tubular, vermelha, sem aroma e aberta de dia é uma flor de ave; uma flor pálida que se abre à noite com um aroma forte é de mariposa; uma taça de pétalas amarelas com uma plataforma de pouso é de abelha. A planta paga em açúcar por um serviço que não consegue fazer, e a especialização do polinizador garante que o pólen vá para outra flor da mesma espécie.
Proposição 28.10 (Os frutos e a dispersão)
Depois da fecundação, o óvulo vira uma semente — um embrião com uma reserva de alimento, dormente, num tegumento protetor — e o pistilo vira um fruto que leva as sementes para longe do genitor: no vento, por asas e plumas; pela água; no pelo dos animais, por ganchos; e dentro dos animais, quando um fruto carnoso é comido e as sementes dele são largadas em outro lugar, intactas, com uma dose de adubo. A semente é o único estágio móvel da planta e o único meio que ela tem de esperar: ela consegue viajar quilômetros e dormir anos.
Demonstração. Admitido neste nível. ∎
Método 28.11 (Ler uma adaptação à vida enraizada)
Para qualquer característica de uma planta, pergunte:
- De qual necessidade de um organismo fixo ela dá conta — captar luz ou gás carbônico, absorver água, transportar, defender, orientar, dispersar pólen ou sementes?
- Que superfície, estrutura ou substância ela usa, e a que custo (água perdida pelos estômatos, energia gasta com néctar ou toxinas)?
- Ela envolve outro organismo (polinizador, dispersor, fungo de raiz, herbívoro), e o que cada parceiro ganha?
- Ela é construída de uma vez (casca, espinhos) ou produzida sob demanda (uma toxina depois do ataque, uma curvatura em direção à luz)?
Observação 28.12 (Metade da vida, parada)
As plantas perfazem a maior parte da massa viva da Terra e alimentam quase todo o resto. Os capítulos sobre a fotossíntese e a respiração que vêm a seguir descrevem a química delas; este descreveu o corpo que a faz funcionar: um ponto fixo, a partir do qual superfícies se espalham pelo solo e pelo ar, seivas fluem sem bomba, a química substitui a fuga, o crescimento substitui o movimento, e animais são contratados para fazer as viagens.
28.6 Exercícios
Exercício 28.1 ★
Nomeie os dois sistemas de uma planta com flor e a superfície de troca de cada um.
Solução
Solução de Exercício 28.1.
O sistema radicular, cujos pelos absorventes apresentam uma vasta superfície ao solo, e o sistema caulinar, cujas folhas apresentam uma vasta superfície à luz e ao ar.
Exercício 28.2 ★
O que é um estômato, o que passa por ele em cada direção, e quando ele fica aberto?
Solução
Solução de Exercício 28.2.
Um poro na pele da folha delimitado por duas células-guarda. O gás carbônico entra, o vapor de água (e o oxigênio) sai. Aberto na luz, fechado à noite e na seca.
Exercício 28.3 ★
Distinga a seiva bruta da seiva elaborada: conteúdo, tubos, direção, força motriz.
Solução
Solução de Exercício 28.3.
Seiva bruta: água e íons minerais, no xilema, das raízes às folhas, puxada pela transpiração. Seiva elaborada: água e açúcares, no floema, das folhas aos órgãos que usam ou armazenam açúcar, nas duas direções, empurrada pela pressão das células carregadas de açúcar.
Exercício 28.4 ★
Dê duas defesas estruturais e duas químicas das plantas.
Solução
Solução de Exercício 28.4.
Estruturais: cutícula e casca, espinhos (também pelos urticantes, sílica, paredes celulares). Químicas: taninos, alcaloides (também toxinas, resinas, látex).
Exercício 28.5 ★
O que é um tropismo? Qual hormônio controla a curvatura de um ramo em direção à luz, e onde ele é feito?
Solução
Solução de Exercício 28.5.
Uma resposta de crescimento dirigida a um estímulo (luz, gravidade, água). A auxina, feita na ponta em crescimento do ramo.
Exercício 28.6 ★★
Uma folha de carrega 200 estômatos por milímetro quadrado na face inferior. Quantos estômatos ela tem? E quantos numa árvore de 200 000 folhas?
Exercício 28.7 ★★
A partir da figura do dia de verão, em que hora a transpiração é a mais alta, e por que ela cai no meio da tarde embora a luz não caia?
Solução
Solução de Exercício 28.7.
Por volta do meio-dia e do começo da tarde. No calor da tarde, as células-guarda fecham os estômatos em parte para limitar a perda de água, e a transpiração acompanha a abertura, não a luz.
Exercício 28.8 ★★
Um anel de casca é retirado em volta de um tronco na primavera. Preveja o que acontece com as folhas, com as raízes e com a casca logo acima do anel ao longo dos meses seguintes.
Solução
Solução de Exercício 28.8.
As folhas ficam verdes e abastecidas de água (o xilema, dentro da madeira, está intacto). As raízes, cortadas do açúcar das folhas, esgotam as reservas delas ao longo de meses e morrem, e a árvore com elas. Logo acima do anel, a casca incha com o açúcar que não consegue mais passar.
Exercício 28.9 ★★
Na figura das plântulas, explique o que cada um dos quatro experimentos inclui ou exclui, e por que os quatro são necessários.
Solução
Solução de Exercício 28.9.
Intacta: a resposta existe. Ponta coberta: é na ponta que a luz é percebida. Base coberta: a base não precisa ser iluminada para se curvar — ela responde a um sinal, não à luz. Ponta removida: a ponta é necessária; o sinal vem dela. Juntos, eles separam a percepção (ponta) da resposta (base) e mostram que algo viaja entre as duas.
Exercício 28.10 ★★
Uma planta levanta de água por dia até as folhas dela sem gastar energia com isso. Explique de onde vem a energia.
Exercício 28.11 ★★
Compare uma flor polinizada pelo vento e uma polinizada por insetos em quatro pontos, e explique cada diferença pelo transportador.
Solução
Solução de Exercício 28.11.
Flor de vento: pequena, sem graça, sem aroma, sem néctar, quantidades enormes de pólen leve, estigmas plumosos — o vento é cego e de graça, e assim a planta investe na quantidade. Flor de inseto: grande, colorida, perfumada, com néctar, pólen pegajoso em quantidades modestas — o transportador precisa ser atraído e pago, e entrega o pólen com precisão.
Exercício 28.12 ★★★
Uma planta fecha os estômatos durante uma seca. Explique o que ela ganha, o que ela perde, e por que uma seca longa a mata mesmo que ela tenha parado de perder água.
Solução
Solução de Exercício 28.12.
Ela ganha água, mantendo as células dela túrgidas e vivas; ela perde a entrada de gás carbônico, portanto a fotossíntese, e o resfriamento da transpiração. Estômatos fechados significam nenhum açúcar produzido: a planta vive das reservas dela, e uma seca longa a mata de fome antes de a secar.
Exercício 28.13 ★★★
A cafeína é tóxica para os insetos nas doses de uma folha de café, mas está presente a um décimo dessa dose no néctar, onde melhora a memória que as abelhas têm da flor. Leia isso com o Método 28.11: o que a mesma molécula faz nos dois lugares?
Solução
Solução de Exercício 28.13.
Na folha, uma defesa: uma toxina contra os herbívoros, embutida no tecido. No néctar, um recrutamento: uma dose baixa que faz o polinizador lembrar e voltar, paga junto com o açúcar. Uma substância, duas necessidades, dosada conforme o lugar.
Exercício 28.14 ★★★
Uma mariposa de língua de é a única polinizadora de uma flor com um tubo de néctar de . Explique como um par assim consegue evoluir passo a passo, e o que cada parceiro arrisca se o outro desaparecer.
Solução
Solução de Exercício 28.14.
As flores de tubo um pouco mais longo são polinizadas apenas pelas mariposas que chegam ao fundo, e assim o pólen delas vai para flores do mesmo tipo; as mariposas de língua um pouco mais longa conseguem néctar que as outras não conseguem; cada pequena vantagem é selecionada, e o tubo e a língua se alongam juntos ao longo de muitas gerações. Se a mariposa desaparecer, a flor não produz semente; se a flor desaparecer, a mariposa perde o único alimento dela.
Exercício 28.15 ★★★
“Uma planta é um organismo passivo.” Reescreva a frase corretamente num parágrafo, com um exemplo de percepção, um de resposta, um de defesa e um de recrutamento.
Solução
Solução de Exercício 28.15.
Uma planta percebe a luz com a ponta dos ramos dela e a gravidade com as raízes dela; ela responde crescendo em direção a uma e ao longo da outra; ela se defende com casca e espinhos, e fabrica toxinas e bloqueadores da digestão poucas horas depois de um ataque; e ela recruta insetos para carregar o pólen dela, aves para carregar as sementes dela e vespas para matar as lagartas dela, pagando em néctar, fruto e aroma. Ela age sem se mover.
28.7 Problema: um dia de verão de um carvalho
Problema 28.1
Problema de fim de semana — as trocas de uma árvore contabilizadas: folhas e estômatos contados, água levantada e açúcar feito, as entregas do floema e as sementes enviadas
Um carvalho adulto carrega 250 000 folhas de cada uma. As faces inferiores das folhas dele têm 250 estômatos por milímetro quadrado. Num dia de verão, cada metro quadrado de folha transpira de água e fixa de gás carbônico em açúcar. As folhas têm 90% de água; a fotossíntese usa de água por de açúcar produzido.
Parte I — Superfícies.
- Calcule a área foliar total do carvalho, em metros quadrados.
- Calcule o número de estômatos da árvore.
- A copa da árvore cobre de chão. Quantos metros quadrados de folha ficam empilhados acima de cada metro quadrado de chão?
- Os pelos absorventes de uma árvore dessas apresentam cerca de ao solo. Compare com as folhas e explique por que as duas superfícies são da mesma ordem.
- Por que a superfície foliar precisa ser espalhada fina e empilhada, em vez de concentrada num órgão espesso só?
Parte II — A água.
- Calcule o volume de água que o carvalho transpira no dia.
- Calcule a massa de açúcar produzida e a massa de água usada para produzi-la. Que fração da água transpirada é essa?
- Explique por que a árvore não consegue guardar o resto: o que aconteceria se ela fechasse os estômatos para economizá-lo?
- A água sobe pelo xilema. O que fornece a energia, e quanto uma bomba própria da árvore teria custado a ela?
- Numa tarde quente e seca, a transpiração cai a um terço enquanto a luz está no máximo. O que a árvore fez, e quanto isso custa em açúcar?
Parte III — O açúcar. As raízes, o tronco e os ramos em crescimento do carvalho consomem de açúcar por dia na respiração e no crescimento; as bolotas levam mais durante a temporada delas.
- Calcule o açúcar produzido no dia e a fração entregue às raízes, ao tronco e aos ramos, e a entregue às bolotas.
- Qual tecido carrega o açúcar, e de onde para onde?
- O que acontece com o açúcar excedente, e onde ele pode ser encontrado na primavera seguinte?
- Um anel de casca é cortado em junho. Quais dos números da questão 11 mudam, e como?
- Explique por que uma árvore que perde metade das folhas para lagartas em maio ainda consegue produzir bolotas, se a temporada for boa.
Parte IV — Enviar a geração seguinte. O carvalho é polinizado pelo vento e produz, num ano bom, 10 000 bolotas; os gaios carregam e enterram cerca de 3000, das quais depois comem a maioria; esquilos e camundongos comem quase todo o resto.
- Liste três características que você espera das flores do carvalho, pela polinização dele pelo vento.
- Por que a árvore “paga” os gaios com bolotas que ela vai perder, em vez de largar as bolotas embaixo dela mesma?
- Se um gaio esquece 5% das bolotas que enterra e uma bolota enterrada em 50 vira uma muda, quantas mudas a safra do ano dá?
- O carvalho vive 300 anos e precisa ser substituído por uma árvore adulta. Compare com a sua resposta anterior e explique por que os números fazem sentido.
- Enuncie o resultado: a área foliar e o número de estômatos do carvalho, os litros que ele levanta num dia pelos quilogramas de açúcar que produz, e os dois agentes que fazem as viagens por ele.
Solução
Solução de Problema 28.1.
1. .
2. ; estômatos.
3. metros quadrados de folha por metro quadrado de chão.
4. Cerca de de pelos absorventes contra de folhas: comparáveis. As duas são superfícies de troca dimensionadas para os mesmos fluxos — a água que as folhas perdem precisa ser absorvida pelas raízes.
5. A luz é absorvida em uma fração de milímetro de tecido, e o gás carbônico se difunde apenas por distâncias curtas: um órgão espesso deixaria a maioria das células dele no escuro e sem alimento. Folhas finas e empilhadas põem cada célula perto da luz e do ar.
6. .
7. de gás carbônico, o que dá cerca de de açúcar (ou, mais simples: o açúcar feito a partir de de é cerca de ); água usada : cerca de 0.6% dos transpirados.
8. O gás carbônico entra pelos mesmos estômatos abertos que deixam a água sair; fechá-los interrompe a fotossíntese. A água é o preço do açúcar.
9. O sol, ao evaporar a água nas folhas. Levantar por são cerca de de trabalho — pouco em si, mas uma bomba biológica exigiria tecidos, ATP e manutenção que a árvore não precisa construir.
10. Ela fechou em parte os estômatos contra o calor seco; a entrada de gás carbônico e a produção de açúcar caem numa fração parecida — uns de açúcar perdidos ao longo da tarde.
11. Cerca de produzidos; (60%) para as raízes, o tronco e os ramos, (15%) para as bolotas.
12. O floema, das folhas (fonte) para as raízes, o tronco, os ramos e as bolotas (drenos).
13. Armazenado como amido no tronco e nas raízes; na primavera seguinte ele é convertido de volta em açúcar para construir as folhas novas antes que elas consigam se alimentar sozinhas.
14. O açúcar continua chegando aos ramos e às bolotas acima do anel; as raízes e o tronco de baixo não recebem nada: a parcela de deles cai ao que estiver armazenado, e eles passam fome ao longo da temporada.
15. As folhas restantes continuam produzindo açúcar, o amido armazenado do tronco e das raízes cobre a falta, e a árvore consegue lançar folhas novas a partir dos muitos pontos de crescimento dela; as bolotas são um dreno que a árvore ainda consegue encher se o açúcar do verão bastar.
16. Flores pequenas e esverdeadas, sem pétalas, aroma nem néctar, penduradas em amentilhos que soltam nuvens de pólen leve; estigmas grandes e plumosos para capturá-lo.
17. As bolotas largadas sob o genitor crescem, se é que crescem, na sombra dele e competem com ele; um gaio as leva centenas de metros e as enterra na profundidade certa. Perder a maioria delas é o preço de colocar algumas bem.
18. bolotas esquecidas; mudas.
19. Três mudas por ano ao longo de algumas décadas de boas safras dão talvez uma centena de mudas na vida da árvore, das quais uma precisa chegar à idade adulta. Os números são grandes porque quase toda semente e toda muda se perdem.
20. de folha e uns estômatos; cerca de levantados num dia por de açúcar; o vento para o pólen dele e o gaio para as bolotas dele.