Universidade Federal da Fronteira SulLicenciatura em Ciências Biológicas

Andressa Sabrina Henz, Ísis Tamara de Vlieger, Laís Gottardo, Sirlei Maria Hentges e Tieli Cláudia Menzel

ADAPTAÇÕES EM AMBIENTES EXTREMOS:Baixas Temperaturas

Em geral, as adaptações variam de acordo com o ambiente. Para sobreviver e obter

sucesso reprodutivo, os organismos precisam de um série de características

fenotípicas e genotípicas capazes de responder às pressões de determinado local.

Quem sobrevive é sempre o indivíduo que melhor está adaptado ao

ambiente.

Cada espécie está adaptada ao seu hábitat - isso nem se discute. As espécies de clima ártico, ou mesmo de clima temperado, não se dão bem nos climas tropicais e vice-versa. ( DARWIN, 2004, p.168).

Os ambientes de frio extremo provocam uma série de adaptações nos animais e microrganismos, a fim de viabilizar sua sobrevivência nesses locais.

De uma maneira geral, o clima do ambiente pode ser

um forte fator a influenciar as adaptações. De acordo

com Darwin:

Quando a ação do clima é direta, como no caso das regiões muito frias, os que mais vão sofrer serão os indivíduos menos resistentes, ou aqueles que armazenam menos alimento durante a época que antecedeu o auge do inverno. (2004, p. 97).

De certo modo, pode-se dizer que as adaptações que

tornam esses organismos capazes de sobreviver ao frio

surgiram em função do ambiente, e não o contrário.

A seleção natural produz evolução quando o ambiente muda; ela também produzirá modificações evolutivas em um ambiente constante, caso surja uma nova forma que sobreviva melhor do que a forma corrente da espécie. (RIDLEY, 2006, p. 105).

Os organismos como maior probabilidade de reproduzirem-se no frio extremo, ou seja, os que possuem as melhores características genotípicas e fenotípicas para aquele ambiente, vão acabar sendo favorecidos, desta forma, aumentando seu número em relação aos demais.

Existem quatro condições fundamentais para que a seleção natural possa agir, sendo uma

delas a variação da aptidão.

A seleção natural implica em alguns genes, aqueles que predispuseram traços que aumentaram as chances de sobreviver por tempo suficiente para reproduzir e nutrir descendentes, tornando-se mais abundantes. (MEYRS, 2014,p. 138)

No entanto, a seleção natural não é a única responsável pela variação. Ela opera selecionando os organismos mais aptos, dentro dos que já existem.

Seria impossível obter novos genótipos e fenótipos caso não houvesse a mutação e a recombinação. Ambas introduzem novas variações, contudo, não há evidências de que as mesmas ocorram no sentido de atender as exigências adaptativas de determinado local.

No entanto, os microrganismos, as criaturas mais velhas e numerosas da terra, têm uma história genômica rica que oferece indícios às mudanças no ambiente que ocorreram em

centenas de milhões de anos.

Na superfície, a temperatura das águas é bastante variável, estendendo-se desde os 0°C nas regiões polares até os 40ºC nas regiões equatoriais.Logo abaixo dessa superfície, cerca de 90% do ambiente marinho encontra-se abaixo de 5°C, condição favorável para o crescimento de microrganismos psicrófilos.

Portanto, podemos afirmar que grande parte da superfície terrestre é permanentemente fria.

Extensas áreas terrestres encontram-se cobertas por gelo, como nas regiões do Ártico e da Antártida, podendo descongelar por pequenos períodos anuais, apenas.

Mesmo parecendo inóspitos a nossos olhos, esses ambientes extremamente frios apresentam viabilidade de sobrevivência para certos tipos de microrganismos, desde que haja água em estado líquido.

Os sais e outros solutos, por exemplo, diminuem o ponto de congelamento da água, permitindo o congelamento da água pura, 0ºC. Até mesmo em materiais congelados frequentemente são encontradas bolsas microscópicas de água líquida contendo solutos concentrados, que permitem o metabolismo e crescimento de microrganismos. No interior de geleiras, por exemplo, há uma rede de canais contendo água em estado líquido, nos quais procariotos reproduzem-se e desenvolvem-se. (MADIGAN, Michael T., et.al. 2010, p.160)

Estes desenvolvem-se otimamente a 15ºC ou menos, com temperatura máxima de 20ºC e mínima situada abaixo de 0°C. Os psicrófilos que habitam ambientes constantemente frios não sobrevivem a aquecimentos superiores a 20°C.

Assim, podemos classificar os microrganismos que apresentam sua temperatura ótima a baixas temperaturas como psicrófilos.

Em ambientes com temperaturas constantemente frias,

como o oceano aberto, que mantêm a temperatura em torno

de 3°C, diversas Archaea e Eubacteria estão presentes de

forma ativa.

Por sua vez, ambientes temperados, onde ocorre um certo

aquecimento durante o verão, microrganismos psicrófilos

termossensíveis não conseguem se desenvolver, visto que

não sobreviveriam a esse aumento na temperatura.

Microrganismos psicrófilos apresentam distribuição mais restrita na natureza do que microrganismos psicrotolerantes, que são aqueles capazes de sobreviver a 0°C, porém esta não é sua taxa ótima de crescimento.

Lago Vostok – Antártida, ambiente extremo que abriga diversos microrganismos, principalmente bactérias

Microrganismos psicrófilos contam com maquinaria enzimática que apresenta “funcionamento” ótimo a baixas temperaturas, ocorrendo com facilidade desnaturação ou até mesmo inativação em razão de pequenas elevações na temperatura.

Adaptações moleculares à psicrofilia...

Isto está associado ao fato de, segundo MADIGAN, Michael T.,et.al.: “[...] enzimas ativas em temperaturas baixas apresentam maiores quantidades de estruturas secundárias em alfa-hélice, e menores em folhas beta-pregueadas, quando comparadas a enzimas inativas no frio.” (2010, p.162).

Isto se explica pelo fato de que folhas beta-pregueadas conferem maior rigidez se comparadas com as que possuem mais estruturas em alfa-hélice. Então, o valor adaptativo de possuir um maior número de alfas-hélices está relacionado a uma maior flexibilidade que estas proteínas possuirão para realizarem suas catalizações em temperaturas frias.

Além dessa adaptação, existem outras, igualmente importantes. Uma delas é a maior quantidade de aminoácidos polares em contraste com uma menor quantidade de aminoácidos apolares/hidrofóbicos. Essa característica auxilia as enzimas ativas no frio a se manterem flexíveis no citoplasma, além de outra adaptação que maximiza essa propriedade, que é a menor quantidade de ligações fracas nessas proteínas.

Adaptação fisiológica em um psicrófilo.

Assim, podemos verificar que as membranas citoplasmáticas de psicrófilos são modificadas de forma a atuarem de forma otimizada a baixas temperaturas, não sendo assim inibidas nessas condições ambientais. Uma característica decorrente disso é a maior quantidade de ácidos graxos insaturados nessas membranas, auxiliando na fluidez a baixas temperaturas.

Algumas bactérias psicrófilas possuem lipídeos

com ácidos graxos polinsaturados, com múltiplas

ligações duplas. Eles permanecem mais flexíveis

em temperaturas baixas em comparação aos

ácidos graxos insaturados ou monoinsaturados.

Bactérias vivendo nas salmouras geladas do lago Vida na Antártida.

Mesmo que psicrófilos sobrevivam a baixas temperaturas, existe um certo limite para que ocorra reprodução. O congelamento da água ocorre a 0°C, e da água do mar a -2,5°C. O crescimento microbiano é viável mesmo após o congelamento, tendo sido constatado a -12°C.

Congelamento...

Psicrófilo que vive a -2,5°C

Embora o congelamento seja um empecilho para o crescimento microbiano, ele não resulta em morte imediata. Isso porque células microbianas mantem seu metabolismo mesmo em condições climáticas frias, muito abaixo daquelas que permitem o crescimento.

Em um ambiente de tundra, por exemplo, é possível que ocorra respiração microbiana e consequente produção de CO2, em solos com temperatura de até -39°C.

Na atual classificação dos Biomas, dois deles são considerados como ambientes de baixas temperaturas:Floresta setentrional de coníferas ou Taiga;Tundra.

Figura 1: Taiga Figura 2: Tundra

A taiga é um bioma característico do Canadá, norte da Europa e da Rússia.

O clima é frio, com ventos fortes, podendo apresentar precipitação de neve em algumas partes do ano. O inverno é menos rigoroso que na Tundra, mesmo assim são facilmente registradas temperaturas de -5°C.

FLORESTA SETENTRIONAL DE CONÍFERAS OU TAIGA...

FLORAO solo descongela durante o verão, o

que permite o crescimento de vegetação.A flora arbórea é muito limitada,

apresentando florestas mistas em geral constituída de coníferas.

A vegetação rasteira é composta principalmente de musgos, arbustos e liquens.

FAUNAA fauna da taiga apesar

do clima, é abundante. Os animais possuem

adaptações para suportar as temperaturas, como a hibernação, a troca de pele, a migração (em aves principalmente).

A hibernação  é um mecanismo de sobrevivência utilizado por muitos animais nos períodos em que as condições ambientais se encontram bastante adversas ou quando a quantidade de alimentos disponível é escassa.

Hibernação para sobrevivência...

Urso-negro hibernando

Em um ambiente frio, para manter a temperatura corpórea constante é preciso evitar a perda de calor e produzir ou adquirir calor excessivo.

A hibernação é considerada uma estratégia fisiológica que envolve um controle rígido das funções metabólicas e energéticas do organismo.

Conforme cai a temperatura, o animal eventualmente enfrenta um grande problema: evitar o congelamento. Eles podem fazer isso através de dois modos:• O primeiro é a capacidade de diminuir o ponto de

congelamento dos fluídos corporais através da adição de soluto nesses fluídos (no sangue, hemolinfa, etc);

• O segundo modo é a capacidade de superesfriar.

Sapo-da-madeira hibernando

Essa característica é muito evidenciada em insetos. Muitos insetos baixam o ponto de congelamento de seus fluídos através da secreção de uma substância muito importante – o glicerol.

Diminuindo o ponto de congelamento dos fluídos corporais...

Traça

O líquido corporal das traças contém está substância anticongelante, cuja concentração aumenta no inverno.O glicerol agindo como anticongelante baixa o ponto de congelamento para até – 17 ºC.

Um outro exemplo é do parasita (Bracon cephi) da mosca-do-trigo encontrada no Canadá. As larvas do parasita podem sobreviver a uma temperatura muito baixa de até -40ºC. Isso ocorre pelo fato das concentrações do glicerol aumentarem na hemolinfa à medida que a temperatura é reduzida.

A tundra é o bioma encontrado no hemisfério Norte, predominante no Canadá, Rússia, Alasca, Groelândia, entre outros.

É considerado o bioma mais frio do planeta. As temperaturas mais altas registradas não ultrapassaram 10°C.

TUNDRA

Possui um solo do tipo Permafrost

Congelado permanentemente, o solo fica congelado a maior

parte do ano.

O verão dura aproximadamente dois messes, quando ocorre o degelo, é somente neste período que ele cresce.

FLORAA tundra não apresenta árvores, pois o solo

não permite o crescimento destas que não conseguem fixar suas raizes devido o solo ser muito gelado.

Assim a vegetação é principalmente constituída de arbustos, gramíneas, musgos, liquens.

FAUNAOs animais que vivem neste bioma,

geralmente possuem uma camada de gordura sobre a pele e longos pêlos, que lhes confere resistência, bem como utilizam a hibernação( caso dos ursos polares).

A efetividade da pelagem como isolamento térmico nos mamíferos árticos é de duas a quatro vezes maior que a dos mamíferos tropicais. No Ártico, os valores de isolamento térmico das espécies estão intimamente relacionados com o comprimento do pelo.

Isolantes térmicos – pelos...

Urso polar

Ursos polares possuem pelos ocos para prender o ar quente, e a pele escura, o que atrai os raios ultravioleta do sol. 

Um exemplo de predominância em relação a ação da seleção natural seria de que os ursos polares

continuam no círculo do Ártico. Foi comprovado por análises de DNA mitocondrial, que a coloração dos

ursos polares era mais escura como por exemplo a do urso pardo; isso ocorreu devido que houve uma

alteração genética acidental no DNA de alguma prole de um urso escuro, resultando assim a cor de pelagem

clara.

Tal mutação propiciou uma grande vantagem evolutiva em ambientes mais frios e cobertos por neve, uma vez que enquanto o urso de pelagem escura consegue ser detectado de longe por sua presa, o urso de pelagem branca consegue se aproximar mais facilmente, devido à sua camuflagem com o meio.

Como tal mutação garante mais alimento para o urso polar, com o passar do tempo, enquanto a população de ursos polares crescia devido à herança genética, mais o urso de pelagem escura era ameaçado por esta evolução, já que cada vez mais, limitava sua oferta de comida, até que em um certo momento, foi totalmente extinto da região, que foi então, "conquistada” pelo urso polar.

O pinguim sobrevive em baixas temperaturas porque possui uma camada extra de gordura logo abaixo da pele, além de suas penas espessas e impermeáveis, que não deixam a água entrar em contato com a pele.

Isolantes térmicos - camada de gordura...

Pinguim

Responsável por manter os animais aquecidos, a gordura retém o calor liberado pelo organismo e age como uma capa protetora contra o frio.

Por que são ótimos nadadores.

POR QUE OS PINGUINS PARARM

DE VOAR?

Corpo totalmente adaptado para natação, com formato perfeito para quebrar a resistência da água. Ainda, possuem asas modificadas como nadadeiras que funcionam como leme e remo auxiliadas por músculos extremamente fortes, além de pernas mais curtas.

Para os pinguins, voar requer um gasto de energia muito grande, enquanto nadar é mais vantajoso na questão energética.

Como se torna difícil sustentar esses dois meios de locomoção ao mesmo tempo, os pinguins acabaram se adaptando melhor para a natação, e desta forma, diminuindo sua capacidade de vôo.

Mamíferos marinhos, como focas, morsas e baleias, possuem adaptações especiais para as águas geladas.

O calor dos animais de sangue quente é perdido mais rápido na água fria do que no ar gelado. O corpo arredondado e as camadas de gordura bastante grossas são necessários para proteger contra a perda de calor.

Os homeotérmicos mantem-se ativos no inverno, ou, pelo menos em determinados períodos, por conta da capacidade que possuem em reter o calor corporal através de seus isolantes térmicos naturais.Embora a temperatura interna seja mantida, a temperatura das extremidades, como pés, dedos, orelhas, são muito menores.

Homeotérmicos não-hibernantes...

Raposa-do-ártico (não-hibernante)

DARWIN, Charles. A origem das Espécies. 4. ed. São Paulo: Martin Claret Ltda, 2004.

MADIGAN, Michael T., et.al. Microbiologia de Brock. 12. ed. Porto Alegre: Artmed, 2010.

MEYRES, David G. Psicologia Social. 10. ed. Porto Alegre: Artmed, 2014.

RANDALL, D., BURGGREN, W., FRENCH, K. Eckert Fisiologia Animal – Mecanismos e Adaptações. 4. ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 2000.

RIDLEY, Mark. Evolução. 3 ed. Porto Alegre: Artmed, 2006.

PELCZAR, Michael J. Jr., CHAN, E.C.S., KRIEG, Noel R. Microbiologia: conceitos e aplicações. Volume 2, 2. ed. São Paulo: Pearson Education do Brasil, 1997.

TOWNSED, Colin R; BEGON, Michael; HARPER, John L. Fundamentos em ecologia. 3. ed. Porto Alegre, 2010.

REFERÊNCIAS