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UNIVERSIDADE FEDEAL DE GOIÁS REGIONAL CATALÃO DEPARTAMENTO DE CIÊNCIAS BIOLÓGICAS Disciplina Morfologia e Sistemática de Criptógamas APOSTILA DE FICOLOGIA Profa. Dra. Débora Machado Corrêa CATALÃO 2019 SUMÁRIO INTRODUÇÃO À FICOLOGIA 01 PHYLUM CYANOPHYTA (CYANOBACTERIA) 02 INTRODUÇÃO ÀS ALGAS EUCARIÓTICAS 09 PHYLUM RHODOPHYTA 12 PHYLUM CHLOROPHYTA 16 PHYLUM EUGLENOPHYTA 22 PHYLUM BACILLARIOPHYTA 26 PHYLUM PHAEOPHYTA 34 PHYLUM DINOPHYTA 39 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 43 1 INTRODUÇÃO À FICOLOGIA Ficologia ou algologia é a disciplina que estuda as algas. Por razões históricas, esta é uma especialização da botânica, embora abranja organismos que não podem ser classificados como plantas. O termo algas é desprovido de valor taxonômico, e é usado para designar vários grupos que realizam fotossíntese oxigênica e possuem histórias evolutivas muito diferentes. Nesta apostila consideramos os aspectos morfológicos, reprodutivos, ecológicos e sistemáticos dos principais filos de algas de representatividade no Brasil. É importante salientar que existem filos de algas não tratados aqui. 2 DOMÍNIO BACTERIA PHYLUM CYANOPHYTA (CYANOBACTERIA) 1. Origem e registro fóssil As cianobactérias são também conhecidas como Chloroxybacteria ou algas verdes azuladas, sendo este segundo termo menos utilizado dada a organização celular procariótica destes organismos. Diferentemente, de outras eubactérias fotossintetizantes, as cianobactérias realizam fotossíntese oxigênica. Este grupo surgiu no Pré-Cambriano (3,5 bilhões de anos atrás) e permaneceram como a forma de vida dominante na Terra por mais de 1,5 bilhões de anos. O fato de que as cianobactérias surgiram a tanto tempo atrás e permanecem até hoje como importantes elementos para a produtividade primária da Terra, indica uma alta maleabilidade adaptativa do grupo frente às mudanças nas condições ambientais ao longo dos milênios e o grande número de estratégias adaptativas apresentados pelo grupo justifica sua distribuição cosmopolita no globo terrestre. As evidências fósseis que nos permitem datar a origem das cianobactérias na Terra são conhecidas como estromatólitos. Os estromatólitos são formados através do crescimento gradual de cianobactérias que formam camadas (biofilmes) sobre um substrato e que vão sedimentando minerais entre as camadas de células em crescimento e depositando carbonatos em lâminas. O número de tipos de estromatólitos encontrados atinge seu máximo entre 700 e 800 milhões de anos atrás e depois declina acentuadamente. Alguns autores sugerem que este decréscimo está ligado à evolução de numerosos tipos de gastrópodes herbívoros, que se alimentariam de cianobactérias, impedindo assim a formação dos estromatólitos. Esta hipótese é suportada pelo fato de que os estromatólitos modernos se desenvolvem melhor em áreas desfavoráveis aos gastrópodes. 2. Morfologia As cianobactérias apresentam morfologia que varia de unicelular, passando por formas coloniais e formas filamentosas, que podem ser homocitadas (ter todas as células morfologicamente similares) ou heterocistadas (apresentar células morfologicamente e fisiologicamente diferenciadas). Um filamento é caracterizado por uma sequência de células ligadas entre si, chamadas tricoma, que é envolvido por uma bainha mucilaginosa. Filamentos podem apresentar ramificações falsas ou verdadeiras. Os filamentos podem apresentar apenas uma série de células, sendo chamados unisseriados ou compostos de mais de uma série de células, sendo considerados multisseriados. 3 2.1. Parede celular e bainha mucilaginosa As cianobactérias apresentam externamente à membrana citoplasmática uma parede celular semelhante à observada nas bactérias Gram-negativas. Esta parede é formada por duas camadas, a primeira tem como principal constituinte o peptideoglicano, a segunda situa-se externamente a esta primeira e chamada membrana externa, constituída principalmente por lipopolissacarídeos. O espaço encontrado entre estas duas camadas é chamado espaço periplasmático. Existem complexos de proteínas que atravessam as camadas da parede celular, permitindo o trânsito de determinadas substâncias entre o meio e a parede celular, porém a entrada de tais substâncias no citosol da célula fica submetida à seletividade da membrana citoplasmática. Durante a divisão celular, a parede celular que separará duas células-filhas é formada centripetamente (de fora para dentro). Externamente à parede celular da maioria das cianobactérias encontra-se uma bainha mucilaginosa ou envelope mucilaginoso. A mucilagem é produzida no citosol e secretada através da membrana celular e de poros presentes na parede celular, formando uma camada que protege a célula/tricoma de dessecação e está envolvida no movimento de deslizamento, assim como numa série de outras estratégias adaptativas de Cyanophyta. A composição da bainha mucilaginosa é predominantemente polissacarídica (exopolissacarídeos), apresentando pequenas quantidades de proteínas e traços de ácidos graxos. 2.2. Estruturas citoplasmáticas As estruturas encontradas no protoplasma das cianobactérias assemelham-se às encontradas nas outras eubactérias. No centro do citosol encontra-se o cromossomo circular, altamente compactado (nucleoplasma) sem, contudo, estar associado a histonas. Na região periférica do protoplasma encontram-se os tilacóides, que são invaginações da membrana citoplasmática às quais encontram-se associados os ficobilissomos. Nesta região encontram-se grande número de grânulos de glicogênio ou amido das cianofíceas, produtos de reserva resultantes da fotossíntese. Ribossomos do tipo 70S encontram-se dispersos por todo o citosol das células, porém dispõem-se em maior densidade na região central das células, ao redor no nucleoplasma. 4 Grânulos de cianoficina são grandes estruturas, que representam uma forma de estocagem de nitrogênio, na forma de proteínas, ricas em ácido aspártico e arginina. Carboxissomos ou corpos poliédricos ocorrem na região central das células das cianobactérias e são estruturas proteicas ricas em ribulose-1,5-bifosfato carboxilase/oxigenase (rubisco), que é a enzima que fixa dióxido de carbono. A enzima anidrase carbônica também se encontra associada a esta estrutura, convertendo bicarbonato de sódio em dióxido de carbono dentro dos carboxissomos, onde a rubisco está presente e tem assim sua atividade carboxilase estimulada. Os carboxissomos representam um mecanismo de concentração de dióxido de carbono para as cianobactérias. Grânulos de polifosfato são esféricos, constituem-se numa forma de estocagem de fosfato. Aerótopos são estruturas cilíndricas revestidas por uma camada de proteínas que acumulam em seu interior gases provenientes do metabolismo celular de algumas cianobactérias. Estas estruturas quando cheias de gases diminuem a densidade celular do organismo fazendo com que este flutue na coluna d’água. Quando em função do consumo de gases presentes no interior dos aerótopos, como o dióxido de carbono, durante a fotossíntese, estas estruturas se colapsam e o organismo perde a flutuabilidade, migrando de volta a regiões mais profundas na coluna d’água. Esta capacidade de migrar na coluna d’água representa uma estratégia adaptativa importante para grupos planctônicos. 3. Pigmentos fotossintetizantes Os principais constituintes do aparato fotossintético das cianobactérias são a clorofila a e as ficobilliproteínas,que são cromo-proteínas solúveis em água, que se agrupam em agregados macromoleculares (ficobilissomos) aderidos à face externa das membranas tilacóides. O carotenoide mais abundante em Cyanophyta é o β- caroteno. Algumas cianobactérias possuem clorofila b ou d e eram antes agrupadas anteriormente no Phylum Prochlorophyta, porém as evidências moleculares atuais não suportam que estes organismos formem um clado separado do Phylum Cyanophyta. As cianobactérias apresentam quatro ficobiliproteínas: c-ficocianina, aloficocianina, c-ficoeritrina e ficoeritrocianina. Todas as cianobactérias apresentam as duas primeiras ficobiliproteínas citadas, as demais ocorrem apenas em determinadas espécies. As ficobilinas permitem às cianobactérias o aproveitamento de um espectro mais amplo de cumprimentos de onda luminosos que a maioria dos outros grupos de algas existentes. 5 Algumas cianobactérias podem ajustar a composição de seus pigmentos em resposta a mudanças na qualidade do espectro de luz, este fenômeno é chamado adaptação cromática. 4. Células especializadas 4.1. Acinetos Acinetos são células que se originaram a partir da diferenciação de uma célula vegetativa, funcionando como esporos de resistência, podendo resistir a períodos de adversidade. Algumas alterações fisiológicas observadas na formação de acinetos envolvem aumento do tamanho celular, desaparecimento gradual de aerótopos (se existentes), aumento na densidade citoplasmática, no número de ribossomos e grânulos de reserva. Acinetos maduros contém uma parede celular mais espessada. Em condições favoráveis os acinetos podem germinar, formando um novo filamento. 4.2. Heterocistos Heterocistos ou heterocistos são células especializadas na fixação biológica do nitrogênio atmosférico. Estas células se diferenciaram a partir de uma célula vegetativa e apresentam uma série de adaptações que lhes permite criar um microclima intracelular pobre em oxigênio, aumentando a atividade da enzima nitrogenase, que catalisa a conversão de N2 em NH3 e é inativada na presença de O2 livre. Tais adaptações incluem altas taxas de consumo de O2 através da respiração, inativação do fotossistema II, produção de camadas adicionais à parede celular, que a torna mais espessa. Assim como os acinetos, os heterocistos, em geral, são maiores que as células vegetativas, porém é fácil distinguir estes dois tipos celulares em microscopia de luz, já que os heterocistos têm aparência hialina, enquanto que os acinetos apresentam citoplasma densamente granulado. Outra característica que permite a rápida identificação de um heterocisto é a presença dos nódulos polares, estruturas localizadas nos pólos do heterocisto, ligados às células vegetativas adjacentes, que constituem conexões citoplasmáticas por onde o heterocisto transfere às células vegetativas nitrogênio fixado e recebe fotoassimilados, já que não realiza fotossíntese. A fixação biológica do nitrogênio (FBN) atmosférico é um processo inducível, ou seja, é a regulado pelos níveis de amônio ou nitrato no ambiente. Caso haja amônio ou nitrato disponíveis em quantidades suficientemente altas no meio, a FBN, que é um processo energeticamente custoso, não ocorrerá. A freqüência com que os 6 heterocistos ocorrem no filamento é inversamente proporcional à quantidade de amônio/nitrato disponíveis no meio. A posição dos heterocistos pode ser terminal (ocorrer em uma ou ambas extremidades do filamento) ou intercalar (ocorrer entre células vegetativas adjacentes). Apesar da taxa de fixação de nitrogênio ser mais alta em cianobactérias heterocistadas, aquelas que não diferenciam heterocistos podem apresentar estratégias para a realização da FBN, tais como realizá-la durante a noite (quando não há oxigênio sendo formado pela fotossíntese) ou em condições de anaerobiose. Os heterocistos são células tão especializadas em sua função, que uma vez diferenciadas não podem voltar a ser células vegetativas, geralmente não possuem grande longevidade e quando se tornam não funcionais, geralmente são liberados, levando à quebra do filamento. 5. Divisão celular A fissão binária é a forma mais comum de divisão celular e pode ocorrer entre 1 a vários planos de divisão, levando a formação de talos com as várias morfologias encontradas em Cyanophyta. No tipo mais comum de fissão binária, a célula mãe se divide em duas células filhas isométricas. Um tipo especial de fissão binária assimétrica é observado durante a formação de exósporos. A fissão múltipla pode ser observada na formação de baeócitos ou endósporos. Neste tipo de divisão celular, a célula mãe tem o citoplasma dividido em centenas de esporos, que quando maduros serão liberados levando ao rompimento da parede da célula mãe. 6. Reprodução assexuada Apesar de existirem evidências de troca de material genético em Cyanophyta, não há evidência de reprodução sexuada (conjugação) neste grupo. A reprodução ocorre basicamente por vias assexuadas. A simples fragmentação do talo pode ser considerada uma forma de reprodução assexuada. A produção de esporos é uma forma de reprodução assexuada importante para algumas ordens, e pode acontecer pela produção de exósporos ou endósporos (baeócitos). A produção de acinetos também pode ser considerada uma forma de reprodução assexuada. 7 Os hormogônios podem ser considerados uma forma de reprodução assexuada do tipo dispersão. Os hormogônios são pequenos segmentos de células que sofrem modificações fisiológicas, sendo destacadas do filamento mãe e que se dispersam no ambiente, vindo eventualmente a se desenvolver num novo talo. Algumas cianobactérias apresentam necrídios ou discos de separação, que são células de um filamento que são programadas para morrer, acumulam mucilagem em seu interior, tornando-se rígidas e auxiliam a separação do hormogônio do filamento mãe. 7. Ecologia As cianobactérias surgiram no ambiente marinho, desenvolvem-se especialmente bem na zona litorânea, em águas rasas e quentes, porém também são importantes componentes do fitoplâncton nos mares abertos, sendo responsáveis por grande parte da produtividade primária observada nestes ambientes. Os ecossistemas de água doce representam um nicho especialmente favorável ao desenvolvimento das cianobactérias. Florações destes organismos em sistemas de água doce são cada vez mais comuns devido ao enriquecimento nutricional da água pela atividade humana (eutrofização). Nos sistemas aquáticos, as cianobactérias que se encontram errantes na coluna d’água são chamadas planctônicas; aquelas que crescem no fundo de lagos e oceanos sobre o sedimento são chamadas bentônicas; e aquelas que crescem aderidas a outras algas, plantas, fragmentos de madeira ou superfícies artificiais de cimento são chamadas perifíticas. Estes organismos desenvolvem-se bem também em ecossistemas terrestres, nos quais desempenham um importante papel como colonizadores primários e mais tarde mantendo a agregação e umidade do solo. As cianobactérias que se desenvolvem diretamente sobre rochas são chamadas epilíticas, as que se desenvolvem no interior de pequenas cavidades de rochas são chamadas endolíticas e as que se desenvolvem nas camadas superficiais do solo chamadas de edáficas. Existem ainda representantes que ocupam ambientes chamados de subaéreos, ou seja, crescem sobre cascas de árvores, na fachada de edifícios e monumentos. São consideradas cosmopolitas, pois apresentam distribuição em todas as partes do globo terrestre, incluindo ambientes considerados extremos como desertos, regiões polares, fontes termais eambientes hipersalinos. Participam de associações simbióticas extracelulares e intracelulares (menos comumente), nas quais disponibilizam nitrogênio sobre formas assimiláveis para seus hospedeiros. 8 Associam-se com fungos formando liquens; associam-se a plantas, nas quais ficam abrigadas em cavidades, como em Azolla sp e Cycas sp.; e ainda a animais, como as esponjas marinhas. 8. Cianotoxinas Algumas cianobactérias são capazes de produzir toxinas (cianotoxinas). Fisiologicamente, podem ser subdivididas em três classes: neurotoxinas, hepatotoxinas e citotoxinas irritantes por contato. As neurotoxinas são alcalóides que bloqueiam a transmissão de sinais entre dois neurônios, ou entre um neurônio e seu efetor (um músculo) em animais e no homem, podendo levá-los à morte. As hepatotoxinas causam desarranjo das células hepáticas, causando sangramento no fígado. As hepatotoxinas podem ter efeito cumulativo no organismo. Têm grande importância nos sistemas de água doce, a partir dos quais podem ser ingeridas por humanos e animais, levando a intoxicação. Outras substâncias não tóxicas, como o MIB e a geosmina, também produzidas pelas cianobactérias podem causar odor ou sabor desagradável na água. Alguns papéis que as cianotoxinas podem desempenhar são: evitar a herbivoria, inibindo o desenvolvimento de organismos que se alimentam de cianobactérias; podem funcionar como substâncias alelopáticas, inibindo o desenvolvimento de outras algas; e ainda podem funcionar como sinalizadores entre espécies/indivíduos de uma comunidade, caracterizando um processo chamado “corum sensing”. 9. Classificação (Anagnostidis & Komarék, 1988) Esta classificação tem propósitos didáticos, baseando-se em critérios morfológicos e não representa uma classificação natural dos organismos, ou seja, as ordens apresentadas aqui não são suportadas filogeneticamente. Ordem Chroococcales: Reúne as cianobactérias de morfologia unicelular ou colonial, que se dividem por fissão binária e, em alguns casos múltipla. Ordem Oscillatoriales: Reúne as cianobactérias de talo filamentoso homocistado. Ordem Nostocales: Apresenta indivíduos de talo filamentoso, heterocistado e com ramificações falsas (quando estas existirem). Ordem Stigonematales: Apresenta indivíduos de talo filamentoso, heterocistado e com ramificações verdadeiras. 9 INTRODUÇÃO ÀS ALGAS EUCARIÓTICAS 1. Origem da compartimentação intracelular eucariótica Postula-se que a compartimentalização intracelular das células eucarióticas tenha se originado a partir de invaginações da membrana citoplasmática, que posteriormente se especializaram na realização de diferentes tarefas dentro da célula. Esta teoria é conhecida como hipótese autogênica e explica de forma satisfatória a origem de organelas como o complexo de Golgi, vacúolos, retículo endoplasmático e o envelope nuclear. Contudo esta hipótese não explica de forma convincente o aparecimento de organelas como as mitocôndrias e os cloroplastos. Estas organelas são capazes de se autorreplicarem, possuindo material genético próprio e ribossomos do tipo 70S. A teoria mais aceita para explicar o aparecimento destas organelas é a teoria endossimbiótica. A origem dos cloroplastos é discutida abaixo. 2. Endossimbiose primária Este processo é caracterizado pela ingestão de um procarioto fotossintetizante (cianobactéria) por um eucarioto fagocítico não fotossintetizante. Durante a ingestão do procarioto, um vacúolo fagocítico é formado envolvendo-o, porém após o processo de ingestão, o procarioto não é digerido, sendo mantido dentro do eucarioto hospedeiro. O procarioto fotossintetizante, posteriormente, durante a evolução, perde a parede celular e seu genoma é reduzido, passando a depender parcialmente de fatores codificados pelo genoma do hospedeiro para sua manutenção, passando a integrar a célula eucariótica como uma organela. Como resultado temos um eucarioto fotossintetizante que possui um cloroplasto revestido por duas membranas (envelope do cloroplasto). O rearranjo das membranas dos tilacóides e a evolução dos carboxissomos, resultando no aparecimento de pirenóides completam a transição para cloroplastos verdadeiros, como ocorre nos grupos citados abaixo. Os grupos que foram originados por este tipo de endossimbiose são: Glaucophyta, Chlorophyta e Rhodophyta. Considerando-se que uma cianobactéria seja o endossimbionte fagocitado neste processo, é fácil imaginar que os pigmentos presentes nos cloroplastos de Glaucophyta e Rhodophyta sejam a clorofila a e as ficobiliproteínas. Porém, durante a evolução, a cianobactéria endossimbiôntica que deu origem aos cloroplastos de Chlorophyta sofreu alterações na composição de seus pigmentos, sendo a clorofila a mantida, as ficobiliproteínas foram perdidas e a clorofila b, por exemplo, foi adquirida na linhagem Viridiplantae. 10 3. Cloroplastos com apenas duas membranas do envelope do cloroplasto Os Phyla Glaucophyta, Rhodophyta e Chlorophyta possuem o cloroplasto revestido por duas membranas (envelope do cloroplasto). A membrana mais interna do envelope destes cloroplastos correspondente a membrana citoplasmática da cianobactéria que foi fagocitada dando origem à organela, enquanto que a membrana mais externa corresponde a membrana do vacúolo digestivo que englobou a cianobactéria durante o processo de fagocitose. Cloroplastos revestidos apenas pelo envelope do cloroplasto, em geral, possuem mecanismos de concentração de carbono. Neste tipo de organismos existem proteínas na membrana citoplasmática que transportam HCO3- (a forma de carbono inorgânico mais abundante em pHs alcalinos, como os dos oceanos) para dentro da célula. O HCO3- penetra livremente o envelope dos cloroplastos, chegando ao estroma (alcalino) do plastídio, onde permanece predominantemente nesta forma. Porém ao passar até o lume dos tilacóides, que tem pH ácido é convertido a CO2, esta conversão de HCO3- a CO2 é ainda intensificada pela presença da enzima anidrase carbônica, aderida à membrana dos tilacóides. O CO2 retorna ao estroma do plastídio, onde encontra-se a enzima rubisco, em tamanha concentração que a atividade carboxilase desta enzima é estimulada, ocorrendo a fixação do carbono. Contudo o CO2 tende a rapidamente escapar dos cloroplastos e da célula, reduzindo a efetividade do mecanismo de concentração de carbono. 4. Endossimbiose secundária É caracterizada pela ingestão de um eucarioto fotossintetizante (que adquiriu seu plastídio via endossimbiose primária) por outro eucarioto não fotossintetizante. O eucarioto fagocitado, durante a evolução, sofreu profunda redução de seu citosol, perde a parede celular e sofre drástica redução de seu genoma, passando a depender do controle do hospedeiro, que o integra como uma organela. Como resultado, teremos um eucarioto fotossintetizante com um total de 3 ou 4 membranas revestindo os cloroplastos. O número de membranas revestindo os cloroplastos provavelmente durante a evolução deve ter sido reduzido por questões de economia de energia. Os grupos que foram originados por este tipo de endossimbiose foram os Phyla: Euglenophyta, Bacillariophyta e Phaeophyta, sendo que no primeiro caso, o endossimbionte foi uma Chlorophyta e nos dois últimos uma Rhodophyta. 5. Endossimbiose terciária É caracterizada pela ingestão de um eucarioto fotossintetizante (que adquiriu seu plastídio via endossimbiose secundária) por outro eucarioto não 11 fotossintetizante. O eucarioto fagocitado, durante a evolução, sofreu profunda redução de seu citosol, perde a parede celular e sofre drásticaredução de seu genoma, passando a depender do controle do hospedeiro, que o integra como uma organela. Como resultado, teremos um eucarioto fotossintetizante com um total de 3 membranas revestindo os cloroplastos. O número de membranas revestindo os cloroplastos pode durante a evolução ter sido reduzido por questões de economia de energia, uma vez que a síntese de tais componentes subcelulares é dispendiosa. O grupo que foi originado por este tipo de endossimbiose que será tratado nesta disciplina é o Phylum Dinophyta. Neste grupo, a aquisição de plastídios ocorreu em múltiplas ocasiões durante a evolução dos dinoflagelados, tendo plastídios originados de representantes de Bacillariophyta e Cryptophyta. 6. Cloroplastos envoltos por três ou quatro membranas Os Phyla Euglenophyta, Dinophyta, Bacillariophyta e Phaeophyta possuem além das duas membranas do envelope do cloroplasto, uma ou duas membranas externas provenientes de uma fusão da membrana do vacúolo digestivo (que englobou o eucarioto fotossintetizante que originou o plastídio) com o retículo endoplasmático. Tais cloroplastos podem ou não ter a face externa rugosa à semelhança do retículo endoplasmático. Tais cloroplastos possivelmente evoluíram e foram selecionados em um período geológico no qual os níveis de CO2 atmosféricos eram muito baixos e apresentam o mecanismo de concentração de carbono descrito a seguir. A membrana mais externa destes plastídios, chamada membrana do cloroplasto retículo endoplasmático (CER) é extremamente impermeável a CO2 e HCO3-, havendo em suas membranas proteínas que transportam estas formas de carbono para o interior do cloroplasto à custa do gasto de ATP. O HCO3- penetra nos cloroplastos chegando a uma região entre a membrana do CER e o envelope do cloroplasto, que é ácida (origem do vacúolo digestivo), sendo convertido a CO2 e atravessa livremente o envelope do cloroplasto, chegando ao estroma (alcalino) do plastídio, onde retorna à forma de HCO3-. Porém ao passar até o lume dos tilacóides, que tem pH ácido é convertido a CO2, esta conversão de HCO3- a CO2 é ainda intensificada pela presença da enzima anidrase carbônica, aderida à membrana dos tilacóides. O CO2 retorna ao estroma do plastídio, onde encontra-se a enzima rubisco, em tamanha concentração que a atividade carboxilase desta enzima é estimulada, ocorrendo a fixação do carbono. Estes cloroplastos retêm o CO2 dentro do plastídio já que este não passa livremente pela membrana do CER. Em condições nas quais as concentrações de CO2 ambientais são baixas, este tipo de plastídio é considerado vantajoso em comparação aos que têm apenas o envelope do cloroplasto. 12 DOMÍNIO EUKARYA PHYLUM RHODOPHYTA 1. Introdução As algas vermelhas constituem, provavelmente, o grupo de algas eucarióticas mais antigo, tendo aparecido no Pré-Cambriano, entre 750-1250 milhões de anos atrás. Entre as algas marinhas, constituem o grupo de maior diversidade, apresentando cerca de 5000 espécies. Habitam principalmente ambientes marinhos, de clima tropical e temperado, próximos da costa. Sua abundância cai substancialmente em ambientes polares e subpolares. O organismo eucariótico fotossintetizante que habita a maior profundidade de que se têm registro, é uma Corallinaceae que vive a 210 metros de profundidade, nas Bahamas. Cerca de 200 espécies de Rhodophyta ocorrem em ambientes de água doce, geralmente em águas frias, rasas e de correnteza forte. Estas apresentam, em geral, talos mais reduzidos em relação às algas vermelhas marinhas. Alguns representantes de Rhodophyta capazes de depositar calcificar suas paredes desempenham um papel ecológico extremamente importante em corais de recife, os quais constituem um dos ecossistemas de maior biodiversidade observados na Terra. Estas algas vermelhas de talo resistente devido à deposição de carbonato de cálcio permitem a consolidação e estabilização dos recifes de corais, protegendo- os do impacto direto das ondas. O crescimento contínuo de algas vermelhas calcificadas no fundo dos oceanos através das eras resulta na formação de grandes depósitos de carbonato em algumas áreas do globo. Depósitos de carbonato modernos de mais de 25 metros de profundidade já foram encontrados e mantêm concentrações muito altas de carbono fora dos ciclos biogeoquímicos de curto prazo. Outros potenciais impactos das algas vermelhas sobre o ecossistema incluem a produção de compostos halogenados voláteis, que podem afetar os níveis de ozônio; e a emissão de DMS, um composto volátil que contém enxofre e que contribui para a formação de precipitação ácida. Também constituem um dos grupos de algas de maior interesse econômico, podendo ser cultivadas ou coletadas de populações naturais, principalmente para a alimentação e para a extração de poligalactanos sulfatados presentes em sua matriz extracelular. Estes poligalactanos são extraídos e purificados como Agar, agarose e 13 carragenano. Tais polímeros apresentam propriedades coloidais únicas e são muito complexos para a síntese artificial. Entre as aplicações industriais, podemos citar: na indústria têxtil, especialmente no processo de impressão de estampas; na manufaturação de papéis especiais; na produção de cremes dentais e cosméticos; e na indústria alimentícias como espessantes alimentícios. Também são de grande interesse farmacêutico, biomédico e biotecnológico. 2. Características celulares A parede celular das Rhodophyta é constituída de uma trama de microfibrilas de celulose (exceções encontradas em Bangiales) entre as quais polissacarídeos e mucilagem formam uma matriz amorfa. Os principais constituintes da matriz amorfa são os ágares e carragenanos, que chegam a representar 70% da massa seca da parede celular. Uma cutícula proteica pode ocorrer externamente à parede celular. Os cloroplastos das algas vermelhas são revestidos de duas membranas que constituem o envelope do cloroplasto, com um tilacóide por banda. Tais cloroplastos foram originados por endossimbiose primária. Os pigmentos fotossintetizantes são a clorofila a e as ficobilinas. Existem relatos da ocorrência de clorofila d em Rhodophyta, porém tais relatos são hoje tidos como errôneos, este tipo de pigmento é encontrado em uma cianobactéria que vive como epífita sobre o talo de certas algas vermelhas. Adaptação cromática complementar ocorre entre as algas vermelhas à semelhança do que é observado em Cyanophyta. O produto mais comum da fotossíntese é o floridosídio (O-α-D-galactopiranosil- (1-2)- glicerol) e aparentemente, tem a mesma função que a sacarose, que é o produto fotossintético das algas verdes e das plantas superiores. A substância de estocagem das Rhodophyta é o amido das florídeas (similar à amilopectina) que ocorrem como grãos dispersos no citosol ou nos grupos mais primitivos, no citosol formando uma bainha na região correspondente ao pirenóide. Uma característica marcante de Rhodophyta é a presença de conexões celulares citoplasmáticas, chamadas de sinapses (em inglês pit connections), entre duas células adjacentes formadas durante a divisão celular (conexão celular primária) ou entre as células de dois filamentos vizinhos que se fundem (conexão celular secundária). Cada conexão é constituída de uma região central proteica que funciona como um “tampão”, chamada por alguns autores de rolha sináptica, que é revestida por uma membrana contínua com a membrana citoplasmática de duas células adjacentes. Esta estrutura pode apresentar variações. Estas conexões celulares não representam verdadeiras conexões entre o citosol das células, ou seja, a passagemde substâncias entre as células unidas por este tipo de conexão é limitada/controlada pela membrana citoplasmática. Possivelmente, estas conexões funcionem como pontos de fortificação que conferem maior resistência estrutural ao talo. 14 Algumas Rhodophyta podem depositar carbonato de cálcio externamente às paredes celulares, geralmente na forma de calcita (Corallinales) ou de aragonita (Nemaliales). Em tais grupos, a deposição de carbonato pode ser homogênea no talo ou restrita a certas partes do talo. Neste último caso, a deposição de carbonato é restrita a regiões chamadas de intergenículos, que são entremeadas por regiões não calcificadas chamadas de genículos. A presença de genículos confere certa maleabilidade ao talo, que possui uma aparência articulada. 3. Organização do talo e formas de crescimento As formas filamentosas representam o tipo mais comum de organização do talo entre as algas vermelhas. Este tipo de organização geralmente está associado à presença de uma ou mais células meristemáticas apicais. Dois tipos de crescimento apical são observados em Rhodophyta: o crescimento uniaxial, no qual uma única célula apical inicial se divide para formar as demais células que compõem o talo; e o crescimento multiaxial, no qual o talo é constituído por vários filamentos, cada um dos quais apresenta uma célula apical inicial. Os talos originados pelo primeiro tipo de crescimento apical são, em geral, menores e mais delicados, enquanto que os formados pelo segundo tipo resultam em talos mais robustos, nos quais os feixes de filamentos se justapõem em tamanho grau, que em corte transversal lembram um parênquima. Este tipo de organização do talo é chamado de pseudoparenquimatoso. Outros tipos de formas de crescimento são observados entre as algas vermelhas, como o intercalar, o difuso, o tricotálico, etc. 4. Estruturas reprodutivas 4.1. Reprodução assexuada A reprodução assexuada no grupo ocorre pela produção de monósporos, que germinam formando, por mitose, um talo igual ao da geração que lhe deu origem. Os monósporos são formados por células chamadas de monosporângios (um esporo produzido por cada esporângio). A fragmentação vegetativa do talo também pode ser uma estratégia de reprodução assexuada. 4.2. Reprodução sexuada As Rhodophyta não apresentam células flageladas. Na reprodução sexuada, as espermácias (gametas masculinos) produzidas pelos espermatângios (órgãos sexuais masculinos) são passivamente carregadas pela correnteza até o órgão sexual feminino, chamado de carpogônio. O carpogônio consiste de uma porção basal 15 dilatada e de uma porção alongada e fina, a tricógine, que recebe os gametas masculinos. Como os gametas são aflagelados existe uma probabilidade baixa de que uma espermácia alcance uma tricógine receptiva. Alguns mecanismos aumentam esta probabilidade: 1) As espermácias de algumas espécies apresentam apêndices que aumentam a sua superfície e permitem que sejam carregados a maiores distâncias pela correnteza. 2) A composição de carboidratos constituintes de parede das espermácias difere das encontradas em células vegetativas, aderindo-se somente a parede das tricógines. 4.2.1. Ciclo de vida trifásico Após a fertilização, o carpogônio fertilizado forma a geração carposporofítica (2n) que produzirá carpósporos (2n) por mitose. Em muitos casos, a geração carposporofítica (= carposporófito) fica retida numa estrutura chamada cistocarpo (observada sobre os talos da fase gametofítica), que corresponde a um carposporófito mais os tecidos do gametófito (n) que o revestem e protegem. Os carpósporos produzidos pela geração carposporofítica podem ser liberados para o meio através de um poro presente no cistocarpo. Neste caso, a geração carposporofítica não é de vida livre. Quando os carpósporos germinam dão origem por mitose à geração tetrasporofítica (2n). A geração tetrasporofítica (= tetrasporófito) produz vários tetrasporângios que geram, usualmente, quatro tetrásporos (n) por meiose. Os tetrásporos germinam formando a geração gametofítica (n). Note que a ocorrência de um ciclo de vida trifásico representa a amplificação de um único evento de fertilização. Um único zigoto pode, em potencial, resultar em bilhões de gametófitos. 4.2.2. Ciclo de vida bifásico Outros representantes de Rhodophyta podem apresentar ciclos de vida bifásicos, com alternância de geração isomórfica ou heteromórfica. Após a fertilização, o zigoto sofre divisões mitóticas produzindo vários carpósporos (2n) que são liberados e germinam um esporófito filamentoso (muitas vezes referidos como fase conchocélis). Este esporófito (2n) pode proliferar assexuadamente através da produção de monósporos (2n). Sob condições ambientais apropriadas, o esporófito (2n) pode produzir conchósporos (n) que germinam formando a geração gametofítica (n). 16 DOMÍNIO EUKARYA PHYLUM CHLOROPHYTA 1. Introdução As algas verdes estão presentes nos ambientes mais diversos. A grande maioria das espécies, aproximadamente 90%, é de água doce, apresentando uma distribuição cosmopolita, isto é, apresentam ampla distribuição no planeta. É o grupo predominante do plâncton de água doce. A maior parte das formas marinhas encontra- se em águas tropicais e subtropicais, fazendo parte dos bentos. Existem algumas formas terrestres, crescendo sobre troncos ou barrancos úmidos (Trentepohlia sp). Outras crescem sobre camadas de gelo nos polos (Chlamydomonas sp.). Existem ainda, formas saprófitas (sem pigmentos) e formas que vivem em associações com fungos (líquens), protozoários, celenterados (ex. hidras) e mamíferos (ex. nos pelos de bicho-preguiça). Trata-se de um grupo antigo de algas, sendo os primeiros fósseis atribuídos ao grupo datados de aproximadamente 1,6 bilhões de anos atrás. A classe Charophyceae possivelmente tenha aparecido entre 400 e 500 milhões de anos atrás. As algas verdes, as briófitas e as plantas vasculares formam um grande clado chamado Viridiplantae. Todos os representantes de Viridiplantae compartilham um ancestral que teve o cloroplasto originado a partir um evento de endossimbiose primária, no qual uma cianobactéria foi fagocitada por um eucarioto não- fotossintetizante, tornando-se uma organela e posterior perda das ficobilinas e aquisição da clorofila b. 2. Estrutura Celular As paredes celulares usualmente apresentam a celulose como o principal polissacarídeo estrutural, contudo em algumas ordens, como Caulerpales (Chorophyceae), xilanos ou mananos podem substituir a celulose. Na Ordem Volvocales (Chlorophyceae) as paredes celulares são compostas de glicoproteínas. Representantes mais primitivos de Chlorophyta, como Tetraselmis sp., Nephroselmis sp., Mantoniella sp. e Micromonas sp., apresentam uma parede celular composta por escamas que se sobrepõem, compostas de polissacarídeos ácidos. 17 Os pigmentos fotossintetizantes são semelhantes aos das plantas superiores; as clorofilas a e b estão presentes e o principal carotenoide é a luteína. Em condições de deficiência de nitrogênio pode haver acúmulo de carotenoides (principalmente β- caroteno) fora do cloroplasto, dando à alga uma coloração alaranjada ou vermelha. Carotenoides extraplastídicos são comumente observados em zigotos e estruturas de reprodução sexuada. Os cloroplastos são revestidos por duas membranas do envelope do cloroplasto. Os tilacóides formam bandas de três a cinco tilacóides sem formar grana. A substância de reserva é similar a das plantas superiores (amido) e é composta de amilose e amilopectina. As vias fotossintéticasde Chlorophyta também são similares as das plantas superiores, sendo grande parte destas vias primeiro elucidadas através de pesquisas com gêneros de algas verdes, como Chlorella sp. As células vegetativas de grande parte dos representantes de Volvocales apresentam vacúolos contrácteis, geralmente, ocorrendo aos pares na base dos flagelos em organismos biflagelados. Estes vacúolos contrácteis desempenham um importante papel na osmorregulação celular e podem ainda atuar na remoção de toxinas provenientes do metabolismo celular. A movimentação celular pode ocorrer pela atuação de flagelos ou por deslizamento sobre um substrato através de secreção de mucilagem (ex.: Desmidiacea, Zygnematales, Charophyceae). Grande parte das células flageladas que apresentam fototaxia, entre as Chlorophyta, apresentam estigmas compostos de gotículas lipídicas (carotenoides de coloração avermelhada). A percepção da luz é realizada por um fotorreceptor, composto de um cromóforo (o cis-retinol, uma rodopsina) ligado a uma proteína, localizado na membrana plasmática acima do estigma, que funciona como um filtro de interferência refletindo comprimentos de onda na faixa do azul e verde de volta ao fotorreceptor na membrana plasmática. Isto resulta em uma mudança no potencial de membrana envolvendo a rodopsina, que altera a entrada de cálcio na célula, levando a mudanças na freqüência com que os flagelos batem e na direção do movimento. 3. Morfologia Morfologicamente, é um grupo muito diversificado, existindo formas unicelulares, coloniais, filamentosas e parenquimatosas. Este aumento na complexidade morfológica do talo não reflete diretamente evolução dentro de Chlorophyta. Por exemplo, formas unicelulares aparecem em vários momentos durante a evolução do grupo, estando representadas desde as classes e ordens mais primitivas até as mais derivadas. Formas de talo similares observadas entre algas não relacionadas possivelmente resultaram de processos independentes de adaptação a pressões de seleção similares. 18 As formas unicelulares mais primitivas são flageladas, como Chlamydomonas sp. (Chlorophyceae). Formas unicelulares mais derivadas, como as Desmidiaceae que possuem células elaboradamente divididas em semi-células, são observadas em Charophyceae. As formas coloniais mais primitivas são flageladas como Eudorina sp. (Chlorophyceae). Algumas formas coloniais apresentam um arranjo e número definido (às vezes múltiplos de número fixo) de células para a espécie. Estas colônias recebem o nome de cenóbios. Quanto às formas filamentosas, estas podem apresentar células uninucleadas (Chlorophyceae, Charophyceae) ou podem ter organização cenocítica (comum em Ulvophyceae). As formas cenocíticas não apresentam paredes transversais (septos) separando o protoplasto de todas as suas células, somente algumas células apresentam septos e estes delimitam grandes células multinucleadas. Também existem formas cenocíticas não filamentosas. Formas filamentosas mais derivadas podem ser observadas dentre as Charophyceae, culminando no aparecimento de talos com organização em nós e entrenós, como observado em Chara sp. e Nitella sp. (Charales) As formas parenquimatosas podem apresentar uma ou mais camadas de células, como em Monostroma sp. e Ulva sp. (Ulvophyceae), podem ainda apresentar morfologias mais elaboradas como em Coleochaete sp. (Coleochaetales, Charophyceae), que possuem gametângios com células estéreis protetoras de gametas. 4. Reprodução Assexuada O tipo mais simples de reprodução assexuada observado em Chlorophyta é a fragmentação do talo. A produção de esporos também é muito comum no grupo e geralmente é induzida por alterações no meio. Os zoósporos (esporos flagelados) são geralmente produzidos por células vegetativas (ex.: Ulothrix sp.) e em alguns casos, formados em esporângios especializados (ex.: Derbesia sp.). Aplanósporos são esporos não flagelados que possuem uma parede celular distinta da parede da célula parental e que podem germinar, originando um novo talo igual ao parental (ex.: Trebouxia sp.). Autósporo é um tipo de esporos não flagelado que possui a mesma forma da célula parental (ex.: Chlorella sp.). Organismos cenobiais podem se reproduzir assexualmente pela produção de autocolônias (colônias filhas) com número definido de células, que sofrem maturação 19 após a liberação da colônia parental, havendo somente aumento do tamanho das células do cenóbio, sem aumento do número de células, já que este é definido na formação da autocolônia. 5. Reprodução Sexuada A reprodução sexual em Chlorophyta pode ser isogâmica, anisogâmica ou oogâmica. Em linhas gerais, evolutivamente observamos esta mesma seqüência de aumento de complexidade nos ciclos de vida do grupo. Nos ciclos de vida mais simples observados em Chlorophyta, os gametas não são células especializadas, sendo células vegetativas que, num dado momento, atuam como gametas (ex.: reação de aglutinação em Chlamydomonas sp.). Contudo, na maioria das espécies isogâmicas e anisogâmicas os gametas são células especializadas produzidas em estruturas não especializadas, enquanto que entre as espécies oogâmicas os gametas são geralmente produzidos em gametângios especializados (ex.: Coleochaetales e Charales). A maioria das Chlorophyta produzem gametas flagelados (zoogametas), enquanto que em Zygnematales aplanogametas (gametas não flagelados) ou gametas amebóides são formados (ex.: conjugação em Spirogyra sp.). Em grande parte das Chlorophyta, a gametogênese é induzida por alterações ambientais, em outras é dependente da presença de duas linhagens sexualmente diferentes e compatíveis entre si (ex.: algumas espécies de Oedogonium sp.). 6. Classificação Quatro classes são reconhecidas no Phylum Chlorophyta (Lee, 2008): Classe 1 - Prasinophyceae: Inclui as algas verdes flageladas cobertas por escamas ou nuas (não têm paredes celulares) com fuso interzonal que é persistente durante a citocinese; algas verdes primitivas, algumas das quais possivelmente tenham dado origem a outras classes de Chlorophyta. Classe 2 - Ulvophyceae: Células móveis com simetria externa aproximadamente radial, com flagelos aderidos na porção anterior da célula; escamas podem estar presentes nas células móveis; fuso mitótico interzonal persistente durante a telófase; o sulco de clivagem produz a nova parede celular entre as células filhas; estigma comum; espécies predominantemente marinhas; ausência de zigotos dormentes; maioria dos ciclos de vida apresenta alternância de gerações, com anisogamia e isogamia. 20 Classe 3 - Chlorophyceae: Células móveis com simetria externa radial ou aproximadamente radial, com flagelos aderidos na porção anterior da célula; células móveis tecadas; fuso mitótico interzonal colapsado durante a telófase; o ficoplasto produz a nova parede celular entre as células filhas; estigma comum; espécies predominantemente de água doce; zigotos passam por períodos de dormência; meiose ocorre na germinação do zigoto; virtualmente todos os tipos de ciclo de vida são observados dentro da classe, em ciclos de vida oogâmicos os gametângios são simples, em geral unicelulares. Classe 4 - Charophyceae: Células móveis assimétricas, com dois flagelos aderidos a porção lateral da célula; parede das células móveis geralmente constituída por escamas; fuso mitótico interzonal persistente na telófase; produção da parede celular via fragmoplasto após a divisão celular; estigma usualmente ausente; predominantemente ocupam ambientes de água doce; reprodução sexuada envolve a formação de um zigoto dormente; meioseocorre na germinação do zigoto. Oogamia muito comum, com gametângios complexos em Charales. A matrotrofia é observada em Coleochaetales. 7. Citocinese Dois tipos de fuso interzonal ocorrem durante a telófase nas células de Chlorophyta: o tipo persistente (Figs. 1c e 1d) e o tipo que se colapsa (Figs. 1a e 1b) antes do final desta fase do ciclo celular. A nova parede celular pode ser formada entre as duas células filhas por meio de um ficoplasto, de um sulco de clivagem, ou de um fragmoplasto. Três das classes de Chlorophyta podem ser bem caracterizadas através destas características, como apresentado no item 6. Fragmoplasto é a formação da nova parede celular do centro para a periferia da célula em divisão (divisão centrífuga). A posição da placa celular é arranjada por microtúbulos do fragmoplasto que se arranjam perpendicularmente ao plano de divisão celular (note que estamos falando de uma nova série de microtúbulos que se somam aos microtúbulos do fuso interzonal que são formados paralelamente a estes), guiando as vesículas dos dictiossomos e o retículo endoplasmático na formação da nova parede celular. A placa celular é formada por vesículas dos dictiossomos que se fundem, crescendo do centro em direção a periferia e formando a nova parede entre as células filhas (Fig.1d) Ficoplasto é a formação da nova parede celular da periferia para o centro da célula em divisão (divisão centrípeta), que é orientada por um conjunto de microtúbulos orientados paralelamente ao plano de divisão celular (note que o aparecimento dos microtúbulos do ficoplasto ocorre após o colapso dos microtúbulos do fuso e que esta nova série de microtúbulos é orientada perpendicularmente em 21 relação aos do fuso mitótico) que levam à divisão celular da periferia para o centro. Os microtúbulos do ficoplasto podem interagir com o sulco de clivagem levando a divisão celular da periferia para o centro. O ficoplasto garante que o sulco de clivagem passe entre as duas células filhas, já que os dois núcleos filhos não ficam muito afastados graças ao rápido colapso do fuso mitótico. Observe que nas Figuras 1a e 1b, ficoplasto está designando o conjunto de microtúbulos formado paralelamente ao plano de divisão celular e que em 1a temos um ficoplasto típico e em 1b temos uma variação do ficoplasto encontrada em certas Chlorophyceae mais derivadas que apresentam uma placa celular auxiliando a divisão celular (note que isto é uma exceção). Sulco de clivagem é uma invaginação da membrana celular que dá início ao processo de citocinese (Figs, 1a e 1c). Um anel de actina é formado abaixo da membrana plasmática na região mediana da célula em divisão, este anel vai se estreitando e a membrana citoplasmática vai se invaginando em direção ao interior da célula, que completa a citocinese. Em Chlorophyceae, caracteristicamente a citocinese se dá pela interação dos microtúbulos do ficoplasto e do sulco de clivagem. Em Ulvophyceae, o fuso interzonal persiste e após os dois núcleos filhos terem migrado para os pólos da célula em divisão, não havendo surgimento de novas séries de microtúbulos (do ficoplasto ou fragmoplasto) o sulco de clivagem leva à citocinese da periferia para o centro da célula. Figura 1: Citocinese em alguns representantes de Chlorophyta (Raven, Evert & Eichhorn, 2005) 22 DOMÍNIO EUKARYA PHYLUM EUGLENOPHYTA 1. Origem e registro fóssil Apesar do registro fóssil de Euglenophyta ser escasso, o fóssil mais antigo atribuído ao grupo é datado entre o meio do Ordoviciano e o Siluriano (410-460 milhões de anos atrás) e veio de ambientes de água doce próximos ao mar. 2. Estrutura celular O Phylum Euglenophyta apresenta indivíduos de organização celular eucariótica e talo sempre unicelular. Existem euglenófitos heterotróficos, fotoautotróficos facultativos e indivíduos parasitas. As células euglenóides possuem dois corpos basais e um ou dois flagelos emergentes. Os flagelos não são compostos de microtúbulos, sendo constituídos de pelos fibrilares dispostos helicoidalmente ao longo do flagelo. Certas Euglenophyta possuem dois flagelos emergentes, enquanto que outras apresentam dois flagelos, mas apenas um deles é emergente. Estes flagelos emergem de uma invaginação anteriormente posicionada na célula, que consiste de uma porção estreitada e tubular, chamada canal e uma câmara esférica ou piriforme, chamada de reservatório. O reservatório recebe água descarregada pelo vacúolo contráctil, que tem função osmorregulatória na célula. Dois tipos básicos de movimento flagelar são observados no grupo: O primeiro grupo que inclui as ordens Eutreptiales e Euglenales apresentam flagelo com movimento contínuo da base ao ápice, resultando em movimento giratório em círculos. O segundo grupo, que inclui o gênero Peranema sp., apresenta o flagelo esticado na posição anterior da célula e apenas o ápice do flagelo é móvel, resultando numa movimentação suave. O envoltório celular é constituído por uma película, que ocorre abaixo da membrana plasmática (plasmalema). Sua composição química é predominantemente proteica (80%) e lipídica (11%), sendo o restante constituído de carboidratos. A película consiste de inúmeras “estrias” helicoildalmente sobrepostas. Cada estria tem uma terminação mais fina e outra mais espessada. Estas terminações se encaixam umas às outras, sendo que a terminação espessa de uma película se encaixa a terminação fina da outra. Um sistema de microtúbulos é encontrado na região onde duas estrias se sobrepõem. Corpos mucíferos são encontrados abaixo das estrias da película e expelem mucilagem, lubrificando o exterior das células, auxiliando a movimentação. Alguns euglenóides possuem uma película flexível que permite à célula apresentar um movimento característico que, no meio aquoso ou úmido, se denomina movimento euglenóide (metabolia). 23 Adicionalmente à película, alguns euglenóides podem produzir uma camada mais externa de envoltório celular, chamada lórica. A lórica é uma forma de matriz extracelular formada de mucilagem que sofre mineralização com íons de manganês e ferro, dando uma aparência rígida e resistente à célula. Esta estrutura apresenta um poro que permite que os flagelos fiquem livres. 2.1. Núcleo mesocariótico O núcleo euglenóide é do tipo mesocariótico, apresentando cromossomos que permanecem permanentemente condensados durante o ciclo mitótico, um nucléolo que não dispersa durante a divisão nuclear e um envelope nuclear que permanece intacto durante a divisão nuclear. O número cromossômico é geralmente alto, e alguns gêneros são poliplóides. 2.2. Cloroplasto, mitocôndrias e substância de reserva Numerosos cloroplastos são encontrados nas células euglenóides, usualmente têm forma discoides ou placoides com um pirenóide central. Pirenóide é uma região proteinácea dos cloroplastos, rica na enzima rubisco, e que por isto, comumente está relacionada com a formação de produtos de reserva da fotossíntese. Nos cloroplastos ocorrem três membranas, duas do envelope do cloroplasto e a mais externa, a membrana do cloroplasto retículo endoplasmático. Há presença de tilacóides que não formam grana, mas que se agrupam formando duas ou três bandas. Acredita-se que alguns euglenóides adquiriram seus cloroplastos através da ingestão de uma alga verde que passou a viver simbioticamente na célula ingestora (hospedeiro), por um processo de endossimbiose secundária. Os pigmentos fotossintetizantes são a clorofila a e a clorofila b e o β-caroteno, algumas euglenófitas apresentam a xantofila diadinoxantina. Grânulos de paramiloestão presentes no citoplasma atuando como substância de reserva. O paramilo é formado por uma cadeia de β-1,3-glicano. Numerosas mitocôndrias são encontradas nas células de um euglenóide. Uma característica interessante é que existem mais mitocôndrias em espécies exclusivamente heterotróficas do que em espécies autotróficas. Em alguns casos, a crisolaminarina pode em alguns casos substituir os gânulos de paramilo como forma de reserva (Eutreptiella gymnastica e Sphenomonas laevis). 2.3. Estigma e fototaxia Os estigmas são um conjunto de gotículas de lipídios de coloração vermelho- alaranjados, independentes dos cloroplastos e posicionados na porção anterior da célula. Há relatos de estigmas de composição variada: alguns contêm α-caroteno e sete tipos de xantofila, outros são compostos predominantemente de β-carotenos, ou de um de seus derivados, a equinenona. 24 Todas as espécies de euglenóides que possuem um estigma e um aparato flagelar exibem fototaxia, geralmente nadando contra a luz forte (fototaxia negativa) e nadando do escuro em direção à luz (fototaxia positiva), preferindo luz de baixa intensidade. Apesar de fazer parte do processo de fototaxia, o estigma não é o fotorreceptor que responde as mudanças de luminosidade do ambiente. 3. Habitat São encontrados em habitats predominantemente de água doce, geralmente na interface ar–água ou água-substrato, não sendo elementos que predominam no plâncton. São frequentemente encontrados em grande número em ambientes contaminados por poluição de origem animal ou matéria orgânica em decomposição. Muitos gêneros são representativos de ambientes marinhos, como: Eutreptia sp, Eutreptiella sp. e Klebsiella sp. Também existem muitos gêneros parasitas, como: Khawkinea sp., Euglenamorpha sp., e Hegneria sp. 4. Reprodução Em Euglenophyta, a reprodução sexuada é desconhecida, sendo a reprodução assexuada por divisão longitudinal a principal forma de reprodução do grupo. A divisão celular ocorre do ápice para base e cada célula filha conserva um dos flagelos da célula-mãe, sintetizando o outro par “de novo”. Em resposta a modificações nas condições ambientais, os euglenóides podem formar cistos, que funcionam com uma fase de resistência. A formação dos cistos envolve a perda dos flagelos, aumento no número de grânulos de paramilo estocados, alteração do formato celular (torna-se uma esfera), aumento do número de corpos mucíferos e deposição externa de várias camadas de mucilagem. 5. Classificação 5.1. Classe Euglenophyceae 5.1.1. Ordem Heteronematales Dois flagelos emergentes: um flagelo longo voltado para a região anterior da célula e outro curto voltado para a posterior; organela especial para ingestão de partículas presente (citossoma). Gêneros Comuns: Água-doce: Peranema sp. 5.1.2. Ordem Eutreptiales Dois flagelos emergentes: um voltado para a região anterior da célula e outro inserido lateral ou posterior na célula; ausência de organela especial para ingestão de partículas (citossoma). Gêneros Comuns: Eutreptia sp., Eutreptiella sp. (Estuários) e Distgma sp. (Água-doce) 25 5.1.3. Ordem Euglenales Dois flagelos presentes: somente um flagelo emerge do canal; ausência de organela especial para ingestão de partículas (citossoma). Gêneros Comuns: Água-doce: Euglena sp, Trachelomonas sp., Phacus sp. Colacium sp. e Astasia sp. (incolor) 26 DOMÍNIO EUKARIA PHYLUM BACILLARIOPHYTA 1. Introdução O Phylum Bacillariophyta é representado pelas diatomáceas, organismos eucarióticos de talo predominantemente unicelular, porém gêneros coloniais não são incomuns. Está entre os grupos mais abundantes dos eucarióticos aquáticos, e, portanto, dão grande contribuição para a produtividade primária. Sua diversidade somente é menor que a das clorófitas. Dominam o fitoplâncton em águas frias, ricas em nutrientes, superficiais dos oceanos e lagos. A presença de sílica na parede celular destes organismos tem resultado na formação de sedimentos maciços denominados Terra de Diatomitos, que possuem muitas aplicações industriais. Atualmente, com os avanços da microscopia eletrônica (transmissão e varredura), a classificação das diatomáceas tem passado por muitas mudanças, já que a microscopia de luz nem sempre permite a observação de características de relevância taxonômica. 2. Características gerais • Eucarióticas • Presença de CHL a, c1 e c2; Xantofilas (principalmente Fucoxantina) e Carotenos (beta-caroteno) • Substância de Reserva: Crisolaminarina e Gotículas de Óleos • Presença de parede celular composta de dióxido de sílica • Flagelo: Somente na formação de gametas (Ordem Centrales) 3. Ocorrência Ocorrem em águas doces e marinhas, onde são encontradas como organismos planctônicos, bentônicos, perifíticos, epizóicos ou endozóicos. Uma exuberante comunidade, geralmente ocorre em regiões polares. Também são comuns em ambientes terrestres úmidos e sub-aéreos. 4. Organização celular A parede celular é denominada de frústula, sendo formada por duas partes ou valvas, que se encaixam: epiteca (maior) e hipoteca (menor). O local de encaixe entre estas duas valvas é denominado de pleura. Muitas vezes ocorre a 27 deposição de mais parede entre as valvas, formando bandas. É constituída por sílica, que confere uma grande resistência, e carboidratos. Não existem evidências de que haja celulose. As frústuas apresentam sistemas de poros (onde não há deposição de sílica) que produzem padrões de ornamentação variados, sendo espécie específicos. Os cloroplastos possuem 4 membranas, sendo as duas mais externas do cloroplasto retículo endoplasmático, ocupam a maior parte da célula. As diatomáceas da Ordem Bacillariales (Pennales) possuem geralmente dois cloroplastos parietais com um pirenóide central. Já na Ordem Biddulphiales (Centrales) ocorrem numerosos cloroplastos de formato lenticular ou discóide. A ultra-estrutura destes plastídios é semelhante a de plastídios de organismos pertencentes ao Phylum Phaeophyta. Flagelos estão presentes apenas nos gametas masculinos da Ordem Centrales, em número de um. 5. Classificação Uma única classe é reconhecida para a divisão Bacillariophyta: Classe Bacillariophyceae. Simonsen (1972) reconhece duas ordens para a Classe Bacillariophyceae, com base na simetria da célula: 5.1. Ordem Pennales (Bacillariales) A estrutura da valva é geralmente arranjada em referência a uma linha central, proporcionando uma simetria bilateral, sendo chamadas de diatomáceas penadas. Existem geralmente dois cloroplastos parietais, um núcleo central, suspenso por pontes de citoplasma e um vacúolo central. Em muitas das Pennales, encontra-se no centro da valva, um sulco com fissura vertical, sem depósito de sílica, denominado de rafe. Esta pode ter a fonna reta, ondulada ou sigmóide. Está relacionada ao movimento de deslizamento observado no grupo. Na região central e nos pólos das valvas podem ocorrer espessamentos de sílica de formato esféricos denominados respectivamente de nódulo central e nódulos polares. Representantes da ordem Pennales: 28 5.2. Ordem Centrales (Biddulphiales) A estrutura da valva é arranjada em referência a um ponto central localizado na própria valva dando origem a uma valva cêntrica ou radial, ou é arranjada em referência a 2, 3 ou mais pontos, dando origem a valva biangular, triangular ou poligonal. Nestes casos, a simetria é sempre radiada. Estas células apresentam numerosos cloroplastos discoides,um núcleo e um grande vacúolo central. Representantes da Ordem Centrales: 6. Movimento Diatomáceas da Ordem Pennales podem apresentar movimento de deslizamento causado pela secreção de substâncias (muco) produzidas no citoplasma e liberadas pelos inúmeros poros existentes nas frústulas. O movimento nestas diatomáceas está na dependência da adesão ao substrato. Os caminhos percorridos dependem da forma da rafe. Já as diatomáceas da Ordem Centrales podem apresentar movimento de deslizamento proporcionado pela presença de estruturas chamadas pórtulas ou processos labiados, que são canais de sílica que têm uma abertura voltada para a face externa da valva e por onde ocorre a secreção de mucilagem. Coscinodiscus sp. Porphyridium sp. Pinnularia sp. Navícula sp. Cymbella sp. 29 7. Reprodução e ciclo de vida Nas diatomáceas ocorre tanto a reprodução gamética (sexuada) quanto a vegetativa e espórica (assexuada). A reprodução vegetativa ocorre através da simples divisão celular ou bipartição. 7.1. Reprodução assexuada Após o aumento do protoplasto de uma célula, as duas valvas são afastadas, e após a divisão mitótica do núcleo diploide, ocorre a divisão citoplasmática. As valvas da célula materna se tornam as epitecas das células filhas, que sintetizam uma nova hipoteca. Desta forma, apenas uma célula filha mantém o tamanho da célula original, a outra será um pouco menor. No decorrer das sucessivas divisões celulares, uma parte da população vai diminuindo de tamanho. Esta redução constante é compensada, em algumas espécies, por um maior número de divisões da célula filha de maior tamanho. No entanto, quando as células atingem um tamanho mínimo, o tamanho original pode ser recuperado principalmente através da reprodução gamética, durante a formação do zigoto ou pela formação de esporos de resistência. 7.2. Reprodução espórica Algumas diatomáceas podem formar estatósporos durante algumas vezes durante seu ciclo de vida. Presume-se que estes sejam formas de resistência aa condições ambientais adversas. Ocorre um espessamento da parede e perda do vacúolo (por isso possui menor tamanho que a célula original), consequentemente, o estatósporo se deposita no fundo do oceano, e pode voltar à atividade quando as condições se tornam favoráveis. Para isto, ocorre um aumento de protoplasto com consequente restabelecimento do tamanho da espécie. Curiosamente, a formação de estatósporos é um método de restabelecimento do tamanho original da espécie muito mais frequente que a formação de auxósporos (reprodução sexual). 7.3. Reprodução sexuada A reprodução sexuada em diatomáceas ocorre sob algumas condições, a saber: a) As células precisam ter um tamanho mínimo de 30 a 40% de seu máximo tamanho; b) As condições ambientais devem ser favoráveis, o que inclui uma combinação de temperatura, luz, nutrientes, elementos traços, e osmolaridade do meio. 30 Contrariamente à maior parte dos grupos de algas, em diatomáceas a reprodução sexual é principalmente um modo de restaurar o tamanho da célula do que uma forma de dispersão. 7.3.1. Reprodução sexuada na Ordem Centrales São organismos haplobiontes diplontes e a reprodução é oogâmica, com meiose na formação de gametas. O gameta masculino tem um flagelo, sendo denominado de anterozóide. Este penetra no oogônio (aflagelado) através de uma falha nas valvas ou após a oosfera ter sido liberada da espécie. O zigoto é denominado de auxósporo e sofre um aumento no volume do citosol, que o leva a escapar da valva mãe, sintetizando uma parede celular especial chamada perizônio, uma célula vegetativa do tamanho normal da espécie tem suas valvas sintetizadas dentro do perizônio, rompendo-o quando madura. 7.3.2. Reprodução sexuada na Ordem Pennales São também organismos haplobiontes diplontes e a reprodução é isogâmica com meiose gamética. Duas células vegetativas transformam-se em gametângios, colocam-se paralelamente uma à outra e secretam substâncias gelatinosas (Pectinas). Cada célula sofre meiose, dando origem a quatro núcleos haploides, sendo que dois degeneram. Desta forma, cada célula fica com dois gametas, um imóvel e o outro móvel, com movimentos ameboides. As duas células abrem-se e o gameta móvel de cada célula migra para junto do gameta imóvel da outra célula, após a fusão, os dois zigotos crescem, formando auxósporos. Pode ocorrer autogamia (fusão de dois gametas dentro da mesma célula) ou apomixia, (célula mãe desenvolve um auxósporo sem que haja o processo sexual ou redução cromossômica), em algumas espécies. 8. Importância econômica Após a morte das diatomáceas as frústulas, extremamente resistentes devido à presença de sílica, são depositadas no fundo de lagos ou mares. Estes depósitos podem atingir proporções significativas, como o de Lampoc, na Califórnia, de origem marinha, que possuem milhas de extensão e 200m de espessura. Estes depósitos foram elevados através de atividade geológica. 31 No nordeste do Brasil, também existem alguns destes depósitos, que recebem o nome de terras de diatomáceas. Estas terras de diatomáceas têm grande aplicação industrial como filtro de líquidos, especialmente em refinarias de açúcar, e como isolante térmico em caldeiras. São também empregadas como abrasivos. Devido à resistência das paredes das diatomáceas as frústulas têm sido preservadas ao longo do tempo, permitindo uma análise da flora fóssil e consequente dedução da temperatura e da alcalinidade das águas de tempos passados. São também utilizadas como indicadores de camadas que podem conter petróleo ou gás natural. 9. Produção de toxinas Algumas diatomáceas, por exemplo, Pseudo-nitzschia multiseries, produzem toxinas, como o ácido domóico (derivado do aminoácido glutamato), que causam sérios problemas de envenenamento em humanos, pássaros e outros organismos aquáticos pela ingestão de crustáceos contaminados. O efeito desta toxina envolve amnésia, dores abdominais, vômito, desorientação e pode levar à morte. Sua produção pode ser induzida privando a célula de nutrientes, particularmente sílica e fosfato. 32 33 34 Domínio Eukarya Phylum Phaeophyta 1. Introdução Os representantes de Phaeophyta, também conhecidos como algas marrons, apresentam coloração derivada de grandes quantidades do carotenoide fucoxantina presentes em seus cloroplastos; tal coloração pode também ser derivada da presença de taninos. O grupo não apresenta indivíduos de talo unicelular ou colonial, seus representantes são exclusivamente filamentosos, pseudoparenquimatosos e parenquimatosos. Phaeophyta apresenta 250 gêneros e mais de 1500 espécies. As algas marrons são encontradas quase que exclusivamente, no ambiente marinho, sendo muito comumente encontradas nas zonas rochosas entremarés e sublitorâneas, onde são dominantes, particularmente em regiões de clima mais frio. Apenas quatro gêneros de água doce são descritos Heribaudiella, Pleurocladia, Bodanella e Sphacelaria. Muitas formas marinhas podem também invadir águas salobras, constituindo uma parte importante da ficoflora estuarina. O registro fóssil atribuído ao grupo deixa dúvidas quanto ao surgimento de Phaeophyta; existem registros que o datam entre o fim do Ordoviciano e o meio do Siluriano, entre 425-490 milhões de anos atrás, porém alguns autores acham problemática a identificação de tais fósseis como algas marrons. Os fósseis mais precisamente atribuídos a Phaeophyta datam doMioceno (5-25 milhões de anos atrás). 2. Estrutura celular 2.1. Morfologia A estrutura celular das algas marrons é muito parecida com a de células das Chrysophyta, Prymnesiophyta, Bacillariophyta e Xanthophyta, que são grupos dos quais são proximamente relacionadas. A principal diferença é a grande quantidade de polissacarídeos extracelulares que envolvem o protoplasto das células das feofíceas. Não ocorrem formas Coloniais e Unicelulares (exceção: gametas e esporos). As formas de talo mais simples são pluricelulares e microscópicas (indivíduos de hábito epífito), enquanto as mais complexas podem atingir vários metros de comprimento (Ex. Macrocystis sp.). A Organização do talo pode ser de três tipos: 35 a) Filamentoso unisseriado ramificado ou não. Podem ocorrer filamentos rasteiros de fixação e filamentos axiais eretos; b) Pseudoparenquimatoso: Composto por filamentos justapostos unidos por mucilagem, presos numa mesma massa amorfa ou formando crostas. c) Parenquimatoso: As células podem se dividir em vários planos formando um tecido verdadeiro. O talo pode ser cilíndrico ou achatado na forma de fita ou lâmina. Existe certa diferenciação de células que ocorrem no "córtex" (células pequenas com numerosos cloroplastos) e na "medula" (celular maiores e incolores) Nas células da medula de algumas feofíceas (Ex. Ordem Laminariales), as células cessam a divisão celular em determinada fase do crescimento, porém a planta continua a crescer e, consequentemente, as células são esticadas e alongadas. Desta forma, originam-se células longas que na região de contato com células adjacentes permanecem com a largura original. Nesta região de contato formam- se poros nas paredes ("crivos") que permitem o transporte de fotoassimilados produzidos na fotossíntese, preferencialmente o manitol. Estas células são chamadas de hifas trombeta. Em Macrocystis sp., estas células longas são anucleadas, apresentam muitas mitocôndrias os poros podem ter cerca de 2,4 a 6,0 micrômetros de diâmetro e estar rodeados por depósitos de calose. As células longas assemelham-se aos elementos de tubos crivados, presentes no floema de plantas vasculares terrestres. 2.2. Parede Celular A parede celular das feofíceas é composta, geralmente, por no mínimo duas camadas, sendo a celulose o principal componente do arcabouço estrutural. Os componentes amorfos que constituem a parede celular são o ácido algínico e a fucoidina. As proporções entre o ácido algínico e a fucoidina constituintes de parede variam muito entre diferentes espécies, diferentes partes do talo e diferentes ambientes. Em algumas espécies do gênero Padina pode haver calcificação da parede celular, nas quais carbonato de cálcio na forma de cristais de aragonita deposita- se em bandas concêntricas sobre a superfície do talo, que tem a forma de leque. Nas formas parenquimatosas, plasmodesmos ou poros estão presentes nas paredes de células adjacentes. Tais poros são delimitados pela plasmalema e o protoplasto é contínuo entre duas células vizinhas. Nos representantes mais complexos, esses poros estão agrupados em certos campos da parede, formando “campos de pontuação primários” enquanto que nas feofíceas mais primitivas os plasmodesmos estão distribuídos aleatoriamente sobre a parede celular. 36 2.3. Flagelos e estigma Comumente não são observadas células vegetativas móveis entre as algas marrons, porém, todas produzem células reprodutivas móveis (zoósporos ou gametas). Usualmente, estas apresentam dois flagelos desiguais inseridos lateralmente ou subapicalmente, sendo um flagelo longo e plumoso inserido na porção anterior da célula e um flagelo curto e liso na porção lateral. A base do flagelo curto geralmente apresenta uma dilatação flagelar, a qual está localizada imediatamente acima de um estigma. O estigma é constituído por uma única camada de glóbulos lipídicos localizados entre a face mais externa da tilacóide e o envelope do cloroplasto. Este funciona como um espelho côncavo que direciona a luz para o aparato flagelar, no qual se encontra o fotorreceptor que promove fototaxia positiva/negativa nas células flagelas das feofíceas. 2.4. Cloroplastos Os cloroplastos das feofíceas apresentam três tilacóides por banda. Além disso, são revestidos por duas membranas que compõem o envelope do cloroplasto e externamente, por duas membranas do Cloroplasto Retículo Endoplasmático (CER). Na ordem Ectocarpales, a membrana mais externa do CER geralmente é continua com a membrana externa do envelope nuclear, porém, parece ser descontínua nas Ordens Dictyotales, Laminariales e Fucales (mais derivadas). Microfibrilas de DNA ocorrem nos plastídios, podendo ser lineares e circulares e se encontram associadas às membranas dos tilacóides. Os pigmentos presentes são clorofila a,c1, c2 e dentre os pigmentos acessórios, a fucoxantina predomina sobre os demais carotenoides. Todas as ordens de Phaeophyta apresentam representantes com pirenóides, porém a sua presença, mesmo numa mesma espécie, está condicionada a determinados estágios do ciclo de vida da alga. A laminarina, o produto de armazenamento a longo prazo proveniente da fotossíntese é armazenado no citosol, ao redor da região correspondente ao pirenóide. Contudo, o produto de acumulação da fotossíntese é o manitol. A concentração de manitol varia de acordo com a salinidade do ambiente, sendo este um mecanismo de osmorregulação da célula. 2.5. Taninos Taninos (fucosanos) podem ser estocados em vesículas presentes no citoplasma de muitas algas marrons. Estes não apresentam açúcar em sua composição e apresentam forte poder redutor. A função que estas substâncias exercem está provavelmente associada ao controle da ocorrência e abundância de organismos epifíticos e endofíticos sobre o talo das feofíceas. 37 3. Tipos de crescimento O talo das algas marrons é geralmente grande e complexo, apresentando várias formas de crescimento, conforme apresentado a seguir: a) Crescimento difuso: A maioria das células do talo é capaz de divisão celular (ordem Ectocarpales). b) Crescimento apical: Ocorrência de uma única célula apical simples (meristema apical) que se divide e que dará origem às demais células do talo (Sargassum sp.), podendo também ocorrer grupos de células apicais (Chnoospora sp.) ou ainda, ocorrer uma fileira de células apicais na margem do talo ( P a d i n a s p . ) . c) Crescimento Tricotálico: Caracterizado pela ocorrência de uma célula meristemática que se divide dando origem ao maior eixo do talo e a uma ramificação (Levringia sp). d) Meristema intercalar: O crescimento ocorre através de divisões celulares em uma zona meristemática que forma tecidos acima e abaixo do meristema (ordem Laminariales). e) Crescimento meristodérmico: Caracterizado pela presença de uma camada periférica de células meristemáticas, chamadas de meristoderme, que se dividem periclinalmente (paralelo à superfície do talo), acrescentando células corticais para o interior da meristoderme. Estas células irão adicionar ocasionalmente, por meio de divisões anticlinais (perpendiculares a superfície do talo) mais células à meristoderme (ordens Fucales e Laminariales). 4. Ciclo de Vida No ciclo de v ida de Phaeophyta observa-se a ocorrência de três tipos de células reprodutivas flageladas: meiósporos, zoósporos assexuais e gametas. A meiose podendo ser espórica ou gamética. Hormônios sexuais (sirenina) são responsáveis por coordenar a atividade celular durante a reprodução sexuada. Há principalmente dois efeitos biológicos mediados pela ocorrência dos hormônios:
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