Este texto foi produzido por alunos do 1° ano de Biologia da USP-RP na disciplina "Seminários Integrados I". Como o texto é interessante e tem tudo a ver com o conteúdo discutido neste blog resolvi postá-lo em duas partes. Apreciem! - Continuação ....
Megadiversidade em insetos: causas e história
Por Carolina Gennari Verruna, Fernando Figueiredo Mecca, Gabriel José Teixeira e Gabriela Molinari Roberto.
Desenvolvimento Ontogenético
Os insetos podem apresentar três tipos de desenvolvimento:
Ametábolo: quando o indivíduo nasce semelhante ao adulto, exceto quanto aos órgãos reprodutivos que ainda não estão maduros, não sofrendo, portanto, nenhum tipo de metamorfose;
Hemimetábolo: quando o indivíduo jovem, conhecido por ninfa, sofre pequenas modificações como o desenvolvimento de asas, além da maturação dos órgãos reprodutivos, até chegar à idade adulta, sofrendo, portanto, uma metamorfose denominada incompleta;
Holometábolo: quando o indivíduo passa pelo estágio de larva e pupa até chegar à idade adulta, sendo submetido, nessas passagens, a uma grande mudança na sua morfologia e anatomia, sofrendo, assim, o que denominamos metamorfose completa (Grimaldi & Engel, 2005).
Alguns pesquisadores acreditam que os estágios de proninfa e ninfa no desenvolvimento hemimetábolo seriam homólogos aos estágios de larva e pupa, respectivamente, no desenvolvimento holometábolo (Truman & Riddiford, 1999).
As espécies de insetos holometabólicas constituem os Endopterygota que abrange as maiores ordens de insetos, em sentido numérico, constituindo cerca de 85% das espécies de deste grupo, segundo Grimaldi & Engel (2005).
Com relação à diversidade do grupo Endopterygota, a importância do desenvolvimento holometábolo muito provavelmente está relacionado à diminuição da competição intra-específica, pois o indivíduo adulto possui nicho ecológico diferente do da larva, não competindo então pelos mesmos recursos ambientais (Rupert & Barnes, 1996; Grimaldi & Engel, 2005). Também aponta-se que os Endopterygota podem ter mostrado menores índices de extinção durante os eventos ocorridos no final do Cretáceo (Ross et al.(2000) apud Mayhew, 2007), fato que teria levado a uma maior diversidade desses insetos em relação às outras ordens de Hexapoda. Entretanto não é possível afirmar que a holometabolia é a única responsável pela grande diversidade de algumas ordens de insetos sobre a outra, visto que existem ordens de hemimetábolos com maior número de espécies que outras ordens de holometábolos, como nota-se ao comparar, por exemplo, a ordem Mecoptera de holometábolos com a ordem Hemiptera de hemimetábolos.
Idade do grupo Insecta
A definição para o que é um registro fóssil é muito vaga. Pode ser considerado um fóssil algo morto e preservado há quanto tempo? Ou só existem fósseis de espécies extintas? Uma definição clara e objetiva é que fósseis são “partes do corpo” de qualquer espécie, ainda vivente ou extninta, que foi naturalmente preservada por milhares de anos (Grimaldi & Engel, 2005).
Exceto por alguns poucos corpos de vertebrados que são encontrados congelados ou mumificados, são encontrados apenas ossos e dentes que não possuem mais que alguns poucos milhões de anos. Já os insetos são conservados quase que inteiros, por exemplo, em âmbar e em certos minerais ou resinas de algumas árvores (Schopf, 1975 apud Grimaldi & Engel, 2005).
Além disso, podemos comparar os escleritos e as asas aos ossos e aos dentes, devido sua longa durabilidade, sofrendo muito pouco com os processos de degradação naturais.
As condições como um fóssil é formado são muito importantes para sua preservação e posteriores estudos. Locais profundos, gelados e sem umidade, por exemplo, mantêm os exemplares com um grau elevado de conservação, diferente de lugares pouco profundos, úmidos e com alta concentração de oxigênio (Grimaldi & Engel, 2005).
O registro fossilífero dos Insecta, apesar de ser um pouco lacunoso, remete a origem do grupo há milhões de anos. O fóssil mais antigo até então achado de um inseto data de 408 a 438 milhões de anos atrás, no período Devoniano, se tratando de um Rhyniognata hirsti (Grimaldi & Engel, 2005). O espécime possuía mandíbula triangular e com ranhuras semelhantes a dentes, provavelmente com a mesma função que estes. Estudos mostraram também resquícios de asas, levando os sistematas a classificarem a espécie como sendo próxima dos Pterygota. Tal caráter leva a crer que os insetos teriam surgido no período anterior, o Siluriano, há cerca de 443 milhões de anos, fazendo deles um dos animais mais antigos a colonizar a terra firme, podendo ser uma das razões para a enorme diversidade e quantidade de espécies no grupo (Grimaldi & Engel, 2005).
Relações ecológicas com angiospermas
O grupo Insecta possui diversas relações inter-específicas com o reino Plantae. Entre elas, podemos citar: abrigo e proteção (insetos podem se esconder de predadores adentrando nas cascas ou buracos de árvores ou até mesmo fazer destas suas moradias), fitofagia (tendo em sua maioria espécies herbívoras, como exemplos, larvas de borboletas – Lepidoptera – que se alimentam das folhas ou cupins – Isoptera – que se alimentam da madeira) e polinização (entomofilia). Podem ser citados vários exemplos de folhas que foram fossilizadas com algumas marcas, minas, sem algumas partes ou com restos fecais que comprovam a existência de algumas espécies em certos períodos mesmo não possuindo fósseis dos mesmos (Grimaldi & Engel, 2005). A maioria dessas relações se dá com o grupo das angiospermas.
Estima-se que as Angiospermas tenham surgido por volta de 160 milhões de anos atrás, no Jurássico Inferior. Portanto, até então, as grandes florestas eram formadas por gimnospermas, principalmente coníferas e cicadáceas. Sabe-se que nessa época já estavam presentes aproximadamente 80% das famílias de insetos ainda existentes (Grimaldi & Engel, 2005). Dessa forma, ao contrario do popularmente dito, a entomofilia não se apresenta como um caráter significativo para a diversificação dos insetos, mas sim para as Angiospermas, que com isso obtiveram grande sucesso reprodutivo, alta variabilidade genética e dispersão.
Além disso, sabe-se que apenas seis das 31 ordens de Hexapoda abrigam espécies polinizadoras. Vale ressaltar que mesmo nessas ordens, um número relativamente pequeno de espécies apresenta entomofilia. Dessa forma, é fácil excluir a hipótese de que a polinização tenha sido de grande importância para a diversificação do grupo. Entretanto, não devemos nos esquecer da importância das outras interações entre estes dois grupos, tendo certamente favorecido a ambos no que diz respeito à diversificação e aumento de biodiversidade.
Extinções e diversidade relativa
Como um grupo tão antigo, os insetos já passaram por diversos eventos de extinção. Tais eventos também contribuíram de alguma forma na diversificação dos insetos e a compreensão desses processos também é importante para se compreender a constituição atual do grupo. Isso porque quando certa espécie é extinta, surge uma possibilidade para outras espécies já existentes se diversificarem.
O primeiro grande evento de extinção, e também o maior, pelo qual o grupo passou foi o da extinção Permo-triássica, no qual a maior parte da vida no planeta foi extinta. Entretanto, apenas algumas ordens de insetos foram extintas, como os Palaeodictyoptera e os Protodonata. A maioria das ordens até então existentes, contudo, deixou representantes (Grimaldi & Engel, 2005).
O último grande evento de extinção pelo qual os insetos passaram foi a extinção do “K-T” (Cretáceo-Terciário), na qual a maior parte dos dinossauros foi extinta. Os insetos sofreram relativamente pouco com tal evento e poucas linhagens foram extintas (Grimaldi & Engel, 2005).
Portanto, observamos que as extinções contribuíram de duas formas para a diversificação do grupo, sendo uma delas a ocupação de novos nichos, e a outra o fato de que, como poucos insetos foram afetados por esses grandes eventos, a diversidade de insetos apresenta-se relativamente muito grande, visto que os outros organismos sofreram mais em tais períodos.
Biogeografia do grupo
Outro fator que pode ter contribuído muito na diversidade foram os eventos de vicariância pelos quais os insetos passaram. Vicariância pode ser explicada como sendo um processo de evolução biogeográfica que se caracteriza pelo surgimento de uma barreira geográfica (o surgimento de uma montanha, ou mesmo a separação dos continentes), que divide a área ocupada por uma determinada população em duas ou mais novas áreas. Com o tempo, essas populações sofrem pressões distintas e tendem a se tornar espécies diferentes (Amorim, 2009).
Alguns exemplos do processo podem ser citados, como a elevação do nível do mar, que separa pequenas populações por um período suficientemente longo para que possam se tornar mais de uma espécie. Depois que o nível desce, elas passam a interagir como espécies distintas, e se novos eventos ocorrerem, novas espécies poderão surgir.
Um grande exemplo que pode ser citado é o da fragmentação da Pangea até a conformação atual dos continentes. No período Triássico, a maioria das ordens de insetos já estava presente e distribuída pelo grande continente (Gimaldi & Engel, 2005). Foi nesse período que se iniciou a fragmentação (há cerca de 200 milhões de anos), levando à formação da Laurásia ao norte e da Gondwana ao sul ao fim do Jurássico. A fragmentação persistiu até o Cretáceo, onde houve a formação da maior parte dos continentes atuais (Tassinari, 2000). Cada uma dessas fragmentações representou um evento de vicariância, resultando em inúmeros eventos e, portanto, um aumento mais que significativo no número de espécies.
Conclusão
Analisando todos os fatores citados, é possível entender que o grande número de espécies de Insecta não pode ser atribuído a um único fator, mas sim a um conjunto de fatores. A presença de asas parece ter sido relevante para a diversificação do grupo, mas existem grupos muito diversos ápteros, e outros grupos alados com menor diversidade. Padrão semelhante se encontra quando notamos que várias ordens de Neoptera são muito numerosas, apesar de algumas apresentem poucas espécies. Também percebemos este tipo de dado quanto à holometabolia: apesar de as maiores ordens de insetos estarem inseridas nos Endopterygota, este grupo abriga outras ordens muito menores, e existem grupos bem numerosos com desenvolvimento hemimetábolo.
Portanto, todos esses fatores, somados com a idade do grupo e a conseqüente passagem por diversos eventos de vicariância, pequeno número de linhagens extintas nos grandes eventos de extinção e outras características não citadas anteriormente, como o curto ciclo reprodutivo, que propicia a fixação de mutações, explicam conjuntamente a megadiversidade de insetos que podemos observar.
Referências Bibliográficas
Amorim, D.S. (2009), Fundamentos de Sistemática Filogenética. Holos, Editora Ltda.
Chapman, A.D. (2009). Number of living species in Australia and the World. 2nd ed. Australian Government – Department of the Environment, Water, Heritage and the Arts.
Gillott, C. (2005). Entomology. University of Saskatchewan: Springer Press.
Grimaldi, D., & Engel, M.S. (2005). Evolution of the insects. Cambridge University Press.
Mayhew, P.J. (2007). Why are there so many insect species? Biological Reviews, 82, 425-454.
Rupert, E.E., & Barnes, R.D. (1996). Zoologia dos Invertebrados. Editora Roca.
Tassinari, C. C. G. (2000). Tectônica Global. In: W. Teixeira; T. Fairchild; M.C. Toledo. (1 ed.). Decifrando a Terra (pp. 97-112). São Paulo: Oficina de Textos.
Truman, J.W., & Riddiford, L.M. (1999). The origins of insect metamorphosis. Nature, 401, 447-452.
Figura 1: Filogenia dos Hexapoda, baseada em dados de Grimaldi & Engel, 2005. A distribuição de número de espécies em cada ordem pode levar a impressões como a de que todas as ordens megadiversas estão entre os Holometabola ou de que as asas são cruciais para a alta diversidade. No decorrer deste trabalho, será explicado por que essas impressões são falsas
Uma notícia de divulgação científica chamou-me a atenção hoje: Luzes de alerta, não só pelo fato de um ambiente como o Cerrado restringir-se aos livros didáticos (basta viajar pelo planalto central para averiguar isso), mas principalmente por mostrar como a Sistemática é sim o cerne de toda a biologia. Nessa matéria, é possível encontrar, além de todo apelo emocional, social e econômico pela preservação do Cerrado, aspectos de taxonomia alfa, relações ecológicas, bioquímica e farmacologia e, acima de tudo, evolução.
Como assim evolução? Evolução sim.
A enzima luciferase (relacionada aos processos de bioluminescência) é encontrada em certas espécies de insetos, algas, peixes, bactérias, fungos, celenterados, anelídeos e artrópodes, sendo os vaga-lumes os mais conhecidos. Será que essa enzima é a mesma em todos esses grupos, ou seja, são homólogas? Sabe-se que esses grupos compartilham um ancestral comum remoto e que os processos bioquímicos de produção e atuação dessas enzimas são os mesmos. Mas também se sabe que cada um desses grupos pertence a linhagens evolutivas diferentes e que, mesmo dentro de cada grupo, apenas algumas espécies apresentam a característica bioluminescente.
O problema das homologias não é recente em sistemática. Algumas proposições, como homologias primárias e secundárias (p.ex. de Pinna, 1991), tornaram-se ícones e acabam dificultando a inserção de novos pensamentos em um panorama evolutivo. Hoje, com o desenvolvimento da biologia do desenvolvimento e da evo-devo, é possível pensar em homologias profundas, em características homoplásticas como resultado de um processo evolutivo do qual as características são sim compartilhadas em um nível mais remoto da filogenia, e não mais como erro procedimental. Os estudos genéticos permitiram mostrar a existência de conjuntos gênicos homólogos compartilhados pelos mais variados níveis da filogenia. Isso só reforça a idéia da Sistemática como unificadora de toda a Biologia, pois permite compreendermos os processos biológicos e a diversidade que nos cercam com base em um arcabouço histórico-evolutivo, seja na ecologia, bioquímica, genética, taxonomia, fisiologia, entre outras áreas.
Num primeiro momento é difícil pensar na espécie humana como um animal como todos os outros, inserido em um contexto histórico-evolutivo de milhões de anos. Compreendido isso, torna-se mais difícil ainda não interpretar toda e qualquer ação humana como natural. Nenhuma espécie sobrevive sem interagir com o ambiente. É biologicamente impossível uma vez que a composição de qualquer organismo vivo e o próprio surgimento da vida relacionam-se aos chamados compostos abióticos (p.ex. luz, solo, temperatura e água). O Cerrado não será trazido de volta, mas é possível, por meio de divulgação científica e do desenvolvimento de um pensamento evolutivo, conscientizar a população sobre o ambiente que a cerca e sobre a necessidade urgente de exploração racional de qualquer recurso natural.
Mas o que representa isso? Um trabalho de taxonomia criterioso e bem feito, que demora em média e de forma otimista um ano para ser publicado, sem expectativas de reconhecimento por parte da sociedade e muito menos das instituições de fomento é o suficiente para responder a pergunta?
De que adianta um estudo realizado com modelos biológicos dos quais não se sabe nem mesmo o nome, a que grupo pertence, a quais espécies este meu modelo relaciona-se e para quais grupos meus resultados podem ser extrapolados e para quais não?O Cretáceo (145-65 ma), além de ser representativo em número de ordens de insetos viventes, é também o período geológico de irradiação do maior grupo de plantas ainda dominantes nas paisagens terrestres, as Angiospermas.
As angiospermas compõem um grupo monofilético, ou seja, um grupo natural com uma história evolutiva única, relacionado a um grupo particular de “Gimnospermas”, Gnetales. O registro fóssil de Gnetales data de 60 ma antes das primeiras angiospermas conhecidas, e já há a presença de uma estrutura reprodutora chamada “flor” e de possíveis associações com insetos polinizadores.
A polinização nada mais é que a transferência do grão-de-pólen da planta masculina para a planta feminina, culminando na fecundação. Em sua forma primitiva e ainda presente em alguns grupos de plantas era realizada pelo vento, mas na maioria das vezes se dá por meio de agentes polinizadores, como aves, mamíferos e insetos. Cerca de 85% de todos os eventos de polinização atuais são fruto da ação de insetos e os primeiros registros dessas interações datam de 134-140 ma, juntamente com a irradiação das angiospermas.
Especula-se que os insetos, originalmente, visitavam as plantas em busca de alimento, atuando como predadores, sendo a polinização uma conseqüência indireta. Dentre as 32 ordens de insetos conhecidas atualmente apenas seis associam-se à polinização: Thysanoptera, Hemiptera, Coleoptera, Hymenoptera, Diptera e Lepidoptera. Esses seriam compensados com alimento e as plantas com o aumento de sua diversidade genética, assim como sua área de distribuição, favorecendo a exploração dos recursos disponíveis e diminuindo a competição intra-específica.
Eventos de polinização isolados não explicam a diversidade de formas de insetos e plantas conhecidas hoje, mas a irradiação conjunta desses grandes grupos no Cretáceo, passando por um período de intensa atividade vulcânica, deriva continental e fragmentação da Gondwana (120-100 ma), pode explicar a distribuição contemporânea de muitas plantas e animais.
O aparecimento de um determinado grupo de plantas, muitas vezes, foi acompanhado pelo surgimento paralelo de um grupo de insetos explorando essas plantas. Acredita-se que as interações entre plantas e os animais polinizadores, principalmente os insetos, constituíram a força motriz na evolução das angiospermas. Como resultado dessa coevolução, os insetos e as angiospermas tornaram-se dois dos maiores grupos de organismos do planeta e essas plantas atingiram alto nível de organização no reino vegetal.
Antes da era cristã, os chineses criadores do bicho-da-seda Bombyx mori L. (Lepidoptera, Bombycidae) observaram a preferência dessa mariposa por amoras – Morus alba L. e Morus nigra L. Com o advento da agricultura e domesticação das plantas, há cerca de 10000 anos, os hábitos alimentares dos insetos começaram a chamar a atenção dos seres humanos e registros históricos e bíblicos mencionam a devastação causada por gafanhotos.
Somente em 1886, nos Souvenirs entomologiques – 3rd series de Jean Henri Fabre (1823-1915) é que a preferências alimentar dos insetos foi questionada e chamada “Instinto Botânico”. Só em 1964, quase cem anos depois dos estudos pioneiros de Fabre, é que Paul Ralph Ehrlich (1932- ) e Peter H. Raven (1936- ) propuseram a “Teoria da Coevolução”, um modelo de evolução química entre plantas e insetos, ou seja, interações químicas antagônicas entre plantas e seus inimigos naturais são os fatores iniciais responsáveis pela irradiação adaptativa de plantas e insetos herbívoros. Essas interações históricas, ou seja, temporais, poderiam ser responsáveis pelos padrões reconhecidos em que plantas relacionadas filogeneticamente apresentam aleloquímicos semelhantes e insetos filogeneticamente próximos escolhem hospedeiros similares.
Nas palavras de Ehrlich & Raven (1964, pág. 586), “coevolução é o exame de padrões de interação entre dois dos maiores grupos de organismos com relações ecológicas estreitas e evidentes, como as plantas e os herbívoros” e “a interface entre plantas e herbívoros poderia ser a maior zona de interação responsável pela geração da diversidade terrestre” (pág. 606). Em uma síntese recente de Cornell & Hawkins (2003), as plantas desenvolveram substâncias para repelir os herbívoros e estes desenvolveram mecanismos para se adaptar ou explorar essas substâncias e, nesse processo, as plantas se tornaram mais tóxicas e os herbívoros mais especializados.
A teoria da coevolução é um ponto ainda em discussão nos dias atuais e foi ferozmente criticada, por exemplo, por Thompson (1986; 1994), Futuyma & Keese (1992), Farrel & Mitter (1993), principalmente por ser muito mais ampla do que apenas interações entre insetos e plantas. Algumas das críticas destacam que embora insetos estejam adaptados as suas plantas hospedeiras, a seleção das plantas pelos insetos é tão fraca e variável que não direcionaria a evolução das plantas; muitas defesas das plantas podem ser contra microorganismos ao invés de contra os herbívoros, uma vez que durante a herbivoria pode haver a transmissão de fungos, vírus e bactérias para as plantas; diversificações adaptativas recíprocas entre insetos e plantas podem derivar mais de características ecológicas e biogeográficas do que químicas.
Apesar das críticas à teoria de coevolução, relações específicas entre herbívoro/plantas ocorrem, como relações de mutualismos entre formigas e acácias, abelhas sem ferrão e orquídeas, figos (Moraceae) e vespas (Agaonidae), mas não explicam todos os padrões observados de defesa das plantas e adaptações dos insetos a seus hospedeiros. Só uma compreensão detalhada a respeito das diversas áreas da biologia, como ecologia, comportamento, sistemática e biogeografia, fisiologia e evolução, nos permitirá entender como se deram as relações entre plantas e insetos ao longo da história evolutiva da Terra.
Assim como nas discussões acerca da teoria evolutiva, a proposição inicial de idéias por parte de um pesquisador instiga discussões no meio acadêmico e o desenvolvimento de novas técnicas e procedimentos metodológicos, assim como a busca por novas bases de dados e evidências e o surgimento de novos zeitgest.
Tudo isso mostra que somente uma compreensão da Biologia como um todo nos permitirá entender de forma clara e completa as interações entre insetos e plantas, grupos antigos, que compartilham uma história evolutiva única e que vêem obtendo sucesso ao longo de milhões de anos, sobrevivendo aos grandes eventos de extinção conhecidos e dominando o planeta até mesmo em seus ambientes extremos, garantindo condições adequadas para o desenvolvimento das outras formas de vida.
Leituras sugeridas:
Cornell, H.V. & Hawkins, B.A. 2003. Herbivore Responses to Plant Secondary Compounds: A Test of Phytochemical Coevolution Theory. The American Naturalist 161(4): 507-522.
Ehrlich, P.R. & Raven, P.R. 1964. Buterflies and plants: a study in coevolution. Evolution 18: 586-608.
Farrel, B.D. & Mitter, C. 1993. Phylogenetic determinants of insect/plant community diversity. In: R.E. Ricklefs & D. Schluter (eds.) Species diversity in ecological communities: historical and geographic perspectives. University of Chicago Press, Chicago. pp: 253-266.
Futuyma, D.J. & Keese, M.C. 1992. Evolution and coevolution os plants and phytophagous arthropods. In: G.R. Rosenthal & M.R. Barenbaum (eds.) Herbivores: their interactions with secondary plant metabolites. Vol. 2. Evolutionary and ecological processes. Academic Press, London.
Grimaldi, D. & Engel, M.S. 2005. Evolution of the insects. Cambridge University Press, 755 p.
Gulan, P.J. & Cranston, P.S. 2008. Os insetos. Um resumo de entomologia. 3ª ed. Roca. 440 p.
Thompson, J.N. 1986. Patterns in coevolution and systematic. In: A.R. Stone & D.L. Hawksworth (eds.) Coevolution and Systematics. Oxford, Oxford University. pp: 119-143.
Thompson, J.N. 1994. The coevolutionary process. University of Chicago Press, Chicago.
Sites:
http://bio.research.ucsc.edu/people/thompson/Publications.html
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