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Todos os organismos vivos devem realizar um conjunto de funções básicas para se manterem. Um desses processos envolve o transporte de materiais por todo o organismo. Portanto, os organismos precisam trocar materiais com o meio ambiente, o que pode ser visto na pequena escala de células que transportam proteínas e outros materiais entre si ou em uma escala maior, como o ciclo da água, onde a água está continuamente se movendo sobre, acima e abaixo da superfície da Terra. Em ambos os exemplos, o movimento de materiais de uma área para outra é um processo dinâmico regulado por variáveis ambientais e biológicas.
As plantas vasculares, desde as menores samambaias até as sequoias gigantes da Califórnia, transportam água e materiais solúveis em água por toda a planta por um sistema de feixes de tecidos vasculares que vão das raízes às pontas da planta. Especificamente, a água e os nutrientes são absorvidos pelos pêlos radiculares e transferidos por osmose para o xilema da planta, um dos dois grandes sistemas vasculares encontrados nas plantas. A água é então transportada para o ponto mais alto da planta e para fora das folhas, onde ocorre a fotossíntese. Curiosamente, apenas 1% da água absorvida pelas plantas é usada para a fotossíntese. Os outros 99% da água não são usados diretamente pela planta e são perdidos da planta devido à evaporação ou gutação, também conhecida como transpiração. A evaporação é o movimento da água para o ar, onde a gutação se refere especificamente à secreção de gotículas de água dos poros das plantas. Ambos os processos combinados compõem a transpiração nas plantas.
As folhas das plantas desempenham um papel importante na liberação dos subprodutos da fotossíntese por meio de seus estômatos, que são aberturas que permitem a troca de materiais entre a planta e a atmosfera. Os estômatos são delimitados por células-guarda, que regulam quando os estômatos abrem e fecham. Este é o local ativo onde a maior parte da água é perdida devido à evaporação, bem como o local onde os gases são trocados com a atmosfera. Embora possa parecer à primeira vista uma má estratégia para uma planta perder água devido à evaporação, é inevitável manter o transporte de materiais e água na planta enquanto maximiza a entrada de gás. A transpiração cria uma menor concentração de água, portanto, um menor potencial osmótico na folha. Essas diferenças na concentração de água são responsáveis por impulsionar o movimento da água para as folhas da planta e também pela liberação de água na atmosfera.
O potencial hídrico impulsiona a absorção de água dos pêlos radiculares e também no transporte de água para as pontas das folhas. O potencial hídrico é a medida da energia livre da água, onde as moléculas de água se movem de áreas de maior potencial hídrico para áreas de menor potencial hídrico. Quando a evaporação é alta nas folhas, isso cria áreas com menor potencial hídrico, ou áreas com menos água, de modo que a água das raízes e do caule é conduzida para as folhas. As propriedades de coesão e adesão das moléculas de água permitem esse movimento da água. A coesão é a atração das moléculas de água umas pelas outras e a adesão é a atração das moléculas de água por outros materiais, como as paredes do xilema. Quando as moléculas de água saem pelos estômatos, elas puxam as moléculas de água para baixo, fazendo com que a água se mova em direção a um potencial hídrico mais baixo.
As espécies de plantas diferem amplamente em suas características físicas, bem como em sua morfologia e funções no ecossistema. Essas diferenças entre espécies de plantas e também semelhanças entre espécies de plantas distantemente relacionadas são moldadas ao longo do tempo através da evolução e, mais especificamente, pela seleção imposta por herbívoros, polinizadores e outros fatores climáticos e ambientais. Portanto, as diferenças nas taxas de transpiração são influenciadas tanto pelo ambiente quanto pela própria espécie vegetal. Os principais fatores ambientais que impulsionam a taxa de transpiração são a temperatura. Temperaturas mais altas aumentam a taxa de transpiração porque a água é perdida por evaporação mais rapidamente. As plantas que vivem em ambientes quentes são propensas a perder mais água do que as plantas localizadas em climas mais frios. Fatores como disponibilidade de água, vento, luz solar e outros também ajudam a influenciar a taxa de transpiração nas plantas.
As plantas que vivem em ambientes quentes e áridos têm adaptações específicas que as ajudam a controlar a perda de água, como a capacidade de armazenar ou conservar água. Um grupo de plantas nesses ambientes, também conhecido como metabolismo ácido crassuláceo ou plantas CAM, desenvolveu estratégias, como abrir seus estômatos apenas para trocas gasosas à noite, a fim de reduzir a perda de água1. Algumas outras características da planta específicas para ambientes áridos incluem área de superfície foliar reduzida, menos estômatos ou pêlos nas folhas para economizar água. No entanto, há uma desvantagem em limitar a perda de água e ter uma taxa ideal de transpiração necessária para a fotossíntese. A taxa de fotossíntese está relacionada à taxa de crescimento e aquisição de energia de uma planta, que está relacionada à taxa de ingestão e perda de água, por isso é extremamente importante que as plantas sejam capazes de equilibrar essa compensação. Por outro lado, em ambientes onde a água não é um recurso limitante, como florestas tropicais, as plantas enfrentam diferentes pressões seletivas que geram diferenças nas taxas de transpiração. Nesses ambientes, a seleção natural pode, em vez disso, favorecer espécies de plantas que podem transportar água mais rapidamente para superar seus vizinhos concorrentes ou crescer o suficiente para evitar serem comidas por herbívoros.
As taxas de transpiração podem ser avaliadas indiretamente usando um potômetro, que é um dispositivo que mede a taxa de absorção de água de uma planta folhosa. A suposição da medição do potômetro é que a transpiração causará a absorção de água, cuja quantidade pode ser quantificada. Além disso, os cientistas podem determinar as taxas relativas de transpiração das plantas observando as estruturas foliares, como os tamanhos e números de estômatos por unidade de área.
Examinar as taxas de transpiração das plantas pode nos ensinar não apenas como as plantas se adaptam a diferentes ambientes, mas também pode fornecer informações sobre a melhor forma de cultivar em diferentes condições ambientais para aumentar a produção de alimentos e ajustar nosso uso de plantas para nos adaptarmos às mudanças climáticas globais e ao crescimento populacional. Por exemplo, as taxas de transpiração são alteradas pelo aquecimento global e outras causas e podem afetar o ciclo global da água, que por sua vez pode afetar os ecossistemas e as populações humanas2. Assim, entender essas mudanças seria necessário para desenvolver estratégias para remediar seus efeitos negativos. Além disso, estudar as taxas de transpiração de diferentes culturas pode ajudar a identificar culturas com alta eficiência no uso da água para aumentar a produção de alimentos por unidade de água e reduzir a necessidade de irrigação3.
As plantas são encontradas em quase todos os ecossistemas do mundo, desde desertos a florestas temperadas e até o fundo do mar. Como consequência da seleção natural, as plantas desenvolveram uma diversidade impressionante de adaptações para lidar com diferentes desafios ambientais. Um dos principais desafios que as plantas enfrentam é manter a hidratação adequada. A água é um recurso crítico do qual eles dependem para a fotossíntese, suporte estrutural e transporte de nutrientes e outras moléculas importantes. Uma maneira pela qual as plantas podem controlar seu equilíbrio hídrico é regulando um processo conhecido como transpiração, que é essencialmente a evaporação da água das partes aéreas de uma planta. Essa perda de água ocorre principalmente a partir de poros nas folhas chamados estômatos. Mas como a água chega aqui?
Para responder a essa pergunta, vamos olhar mais de perto no subsolo. Aqui, a água entra nas raízes das plantas por osmose e depois sobe até as folhas através de um tecido vascular chamado xilema. Este canal de água é conhecido como fluxo de transpiração. Como as moléculas de água grudam umas nas outras e nas paredes do xilema, quando evaporam dos estômatos, a água da parte inferior do fluxo de transpiração é puxada para cima para tomar seu lugar ... resultando em fluxo ascendente das raízes. Agora vamos dar uma olhada mais de perto em um estoma. Cada poro estomático é delimitado por duas células-guarda que podem se expandir para abrir o poro e se contrair para fechá-lo. As plantas abrem seus estômatos para absorver dióxido de carbono para a fotossíntese e liberar gás oxigênio. A perda de água pela transpiração é um efeito colateral inevitável desse processo.
Essa troca apresenta um desafio particular para as plantas que vivem em ambientes áridos e, portanto, elas desenvolveram estratégias para reduzir ao máximo a perda de água. Uma maneira de fazer isso é cultivando folhas com pequenas áreas de superfície, apresentando uma pequena área sobre a qual a transpiração pode ocorrer. É por isso que as folhas das plantas do deserto, como o creosoto, são relativamente pequenas. Mas, indo um passo além, as plantas de ambientes áridos também têm menos estômatos por unidade de área em suas folhas, permitindo-lhes minimizar a perda de água por transpiração.
Em contraste, as plantas que habitam ambientes com água abundante, como florestas tropicais, podem se dar ao luxo de perder muita água por transpiração. Plantas como este taro, por exemplo, costumam desenvolver folhas com grandes áreas de superfície que aumentam sua capacidade de interceptar a luz para alimentar a fotossíntese. Essas plantas também têm uma alta densidade de estômatos em comparação com plantas de habitats áridos, permitindo-lhes manter altas taxas de fotossíntese e suportar folhas e caules grandes.
Neste laboratório, você medirá as taxas de transpiração e examinará a frequência dos estômatos foliares em diversas espécies de plantas para revelar como as plantas de diferentes habitats resolvem o problema de regular a transpiração.
