Blog do Buckeridge

Série Inteligência em Plantas – 6

25 de julho de 2016
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Neste artigo discuto como a inteligência nas plantas funciona na forma de redes complexas.

REDES VEGETAIS DE INTELIGÊNCIA ?

Marcos Buckeridge

O funcionamento das redes de internet é um bom parâmetro para comparar com o processamento de informação e a inteligência das plantas. A internet é uma rede hierárquica, ou seja, há hubs mais importantes do que outros. Estes pesos diferentes conferem a hierarquia ao sistema da internet. A hierarquia é importante pelos seguintes motivos: o primeiro é o fato de haver hubs que, de uma certa forma, coordenam outros hubs menos importantes e fazem com que a rede seja mais vulnerável. Isto porque, se um hub de alta patente na hierarquia for afetado (desligado, por exemplo), uma grande parte da rede pode ser desligada e prejudicar seriamente o sistema como um todo. Uma outra característica importante de uma rede hierárquica é que a informação processada por um hub de alta patente também pode funcionar como uma rede eficiente para o processamento de informações. Já temos evidências que as redes nas plantas são hierárquicas, de forma que o processamento da informação poderia ser comparado com a rede da internet. Em outras palavras, as redes hierárquicas que integram a informação nas plantas provavelmente têm a mesma fragilidade (certa vulnerabilidade ao ataque), mas por outro lado a mesma eficiência em hierarquizar informações. Mas há diferenças. Por exemplo, no caso das plantas (dos seres vivos complexos em geral) as redes apresentam diversos mecanismos que lhes conferem robustez, o que quer dizer que processos hierárquicos muito importantes podem apresentar blindagem ou então redundância, de forma que um ataque não seria capaz de inviabilizar todo o organismo.

Só que há uma diferença importante entre as redes da internet e a das plantas. A internet é uma rede hierárquica, mas não toma decisões, enquanto a planta toma. Portanto, há algo mais nas redes vegetais. Um dos elementos é um programa basal (escrito no DNA) que determina o comportamento e evita que a resposta da planta seja aleatória e simplesmente siga toda e qualquer variação interna que ocorra. A internet não tem um programa interno tão complexo como os seres vivos e por isto pode evoluir e se adaptar muito mais rápido. Isto pode ser positivo, quando pensamos na internet, mas para um ser vivo se adaptar a toda condição que aparece muito rapidamente pode gerar vulnerabilidade, já que para isto, uma planta teria que ter capacidade de gerar uma mudança correspondente em seu programa interno. Pelo que sabemos, isto não acontece, pois a evolução ocorre por mutações ao acaso e qualquer mudança no programa interno exige muito mais tempo.

Nas plantas, o funcionamento em redes tem íntima relação com a propriedade de inteligência. Isto porque ao olhar as plantas através desta lente de processamento da informação em redes, podemos entender como os processos decisórios ocorrem nelas. Estivemos limitados para usar este tipo de abordagem até recentemente em ciência por falta de técnicas que permitissem obter e processar grandes quantidades de informação a partir das plantas. Mas agora, com o advento das técnicas que chamamos de “ômicas” (genômica, transcriptômica, proteômica, metabolômica, glicômica, fenômica) que incluem não só a capacidade de gerar os dados, mas de analisa-los computacionalmente (a bioinformática), temos como catalogar uma enorme quantidade de informação e usar as ferramentas da computação biológica para entender as redes que fazem os vegetais funcionarem. Em outras palavras, temos agora melhores condições de entender como funciona a inteligência das plantas. A importância desta área de pesquisas é enorme, pois a humanidade depende inteiramente das plantas para tudo: ambiente, comida, materiais, remédios etc. Se entendermos como as redes funcionam, nós poderíamos estabelecer melhor “comunicação” com elas e poderíamos manipulá-las através de modificações em seus genomas. Com isto, teríamos condições de evitar perdas na produção de alimentos por problemas climáticos, melhorar a qualidade dos nossos alimentos e ainda criar novas plantas que sejam capazes de se adaptar a regiões onde elas ainda não chegaram, como os polos, os desertos e até outros planetas.


Série Inteligência em Plantas – 5

25 de julho de 2016
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Neste artigo comento sobre como as plantas percebem o ambiente e se é possível haver alguma forma de sentirem algo parecido com dor.

AS PLANTAS SENTEM DOR?

Marcos Buckeridge

As plantas não sentem dor no senso mais estrito do que dor significa para os animais. Em animais, de forma bem geral, a dor funciona com um sinal quando ocorre quando um estímulo interno ou externo exacerba um certo limiar. Neste caso, uma mensagem é enviada ao cérebro e é interpretada como um status de dor, o que leva aquele organismo a reagir. As plantas possuem mecanismos análogos de resposta. Já foi demonstrado que ao ser estimulado o tecido vegetal pode emitir uma onda de despolarização similar ao que ocorrem em neurônios. Esta pequena onda ocorre na região viva do tecido vascular (o floema). No entanto, esta pequena onda, não tem como se espalhar rapidamente pela planta, pois não há uma rede de células (como as células nervosas em animais) que possa levar o processo de despolarização sistemicamente (por toda a planta). O problema é que para uma planta, isto seria muito caro. Estes processos exigem grande gasto de energia e a forma de gerenciamento energético das plantas, que depende da fotossíntese que é feita somente durante o dia e que as vezes nem ocorre com uma intensidade muito alta numa sequência de dias nublados e frios. Isto não suportaria energeticamente um sistema nervoso como o dos animais. Menos ainda um sistema muscular para poder se movimentar. O que já se descobriu é que aquela pequena onda de despolarização que ocorre em volta do tecido vascular pode gerar uma onda sistêmica hidrodinâmica, ou seja uma onda vibratória que se espalha pelos canais do xilema (que está cheio de água) e com isto o sinal pode se espalhar pelo corpo da planta. No entanto, a velocidade de processamento da informação é muito menor do que a nervosa. Assim, uma diferença fundamental entre plantas e animais está relacionada aos tempos de resposta. Se tivéssemos relógios internos para comparar, veríamos que as plantas vivem em um tempo bem mais lento do que os animais em termos do fluxo de eventos e transferência de informação. Como nós vivemos com um relógio bem mais rápido, temos dificuldade em acompanhar o tempo das plantas.

Sobre nos sentirmos culpados por ferir as plantas, isto irá depender dos parâmetros que usarmos. Em alguns casos, desbastar frutos, podar certos ramos pode ser análogo a cortarmos o nosso cabelo. Mas há ferimentos que são mortais ou muito drásticos. Por exemplo, alguns dos padrões de poda feitos em árvores urbanas em São Paulo funcionam mais como mutilação e podem ser extremamente deletérios para as plantas. Isto porque as árvores vão guardando reservas no tronco para poderem produzir novas folhas na próxima estação. Em árvores, as reservas armazenadas no tronco são suficientes para produzir novas folhas por no máximo 4 vezes e o acúmulo contínuo destas reservas deve ocorrer todo ano. Se fizermos podas muito drásticas e contínuas, vamos forçando a planta a usar estas reservas em maior quantidade e mais rápido. Isto pode ir até um ponto em que a planta entra em inanição (fica sem reservas), pois não tem mais de onde tirar carbono para regenerar a sua capacidade de fotossíntese e poder guardar mais reservas para o futuro.

Em alguns casos, quando uma planta é estimulada de alguma forma (pode ser um corte) o estimulo pode se espalhar por parte ou por toda a planta e disparar mecanismos de reparo local, alterando o metabolismo. Se isto funciona com uma memória naquele local, não sabemos.

Se há dor? Não no sentido que animais têm dor. Mas há sim respostas de estresse, análogas às dos animais. Eu me sinto culpado se cortar uma planta, pois ao causar um ferimento sei que estou gerando uma série de respostas de estresse. Mas às vezes é para o bem da planta, é para ela crescer mais e melhor. É preciso, portanto conhecer melhor as plantas e saber que tipo de estímulo estamos provocando.


Série Inteligência em Plantas – 4

21 de março de 2016
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Neste artigo explico os processos de armazenamento e fluxo da informação nas plantas. Uso um experimento feito com pau-brasil em meu laboratório.

COMO AS PLANTAS “GUARDAM” MEMÓRIAS?

Marcos Buckeridge

Existem dois tipos de memória em organismos vivos. Um deles está no DNA e se refere ao resultado do processo evolutivo. O DNA das plantas contém toda a programação, não somente para construir a planta, mas também para coordenar a base de seu funcionamento. Isto é um tipo de memória da espécie que passa de geração para geração. Os programas genéticos mais eficientes são aqueles que permanecem até hoje, pois tenderam a deixar maior número de descendentes durante todo o processo de mudanças nas condições ambientais durante milhões de anos. Em alguns casos, modificações epigenéticas, que são alterações no conjunto de genes que deverá ser utilizado para executar um programa genético, podem alterar o padrão de comportamento de uma planta pelo resto de sua vida. Não sabemos ao certo, mas é possível que algumas destas modificações possam passar de geração para geração. Desta forma, uma alteração efetuada no genoma (metilações, acetilações) podem gerar novos padrões de comportamento. Esta é uma forma reversível de guardar informação que vem sendo pesquisada intensamente neste momento.

O segundo tipo de memória é quando a informação é interpretada internamente por um indivíduo e esta memória dura um certo tempo que, até onde sabemos, não passa de geração para geração. Pode ser uma memória que dure segundos, dias, meses ou até anos. Já a memória de curto prazo também pode ocorrer em certas condições. No caso das folhas do pau-brasil, o que vimos é que existe um processo de aprendizado de uma folha individual que se dá através de mecanismos relacionados ao processo de fotossíntese. Quando uma folha de uma plantinha jovem está à sombra da floresta, bem próxima ao chão, a fotossíntese só pode ocorrer em baixa intensidade luminosa ou então quando um facho de luz mais forte, capaz de atravessar a massa de folhas e ramos acima, passa sobre a folha. Vimos que estes fachos, que em inglês são chamados de “sunflex”, podem permanecer focalizados sobre certas partes das folhas por alguns segundos ou até minutos. A luz bruxuleante faz com que a intensidade luminosa varie dentro de uma faixa que pode ser 10 a 100 vezes mais do que a luz difusa que há debaixo do dossel da floresta. O que vimos é que quando um destes fachos de luz atinge pela primeira vez uma certa região da folha, não há resposta de fotossíntese, ou seja, o sistema fotossintético não reage capturando a luz e transportando os elétrons da água para gerar energia. Vimos que a mesma região da mesma folha, quando estimulada novamente após alguns segundos, passa a transportar os elétrons e se uma terceira estimulação ocorrer mais alguns segundos à frente, o sistema de captura de elétrons da folha acaba sincronizando com os fachos de luz e passa a responder prontamente ao estímulo luminoso. Isto caracteriza um sistema de adaptação eficiente a variações muito rápidas na intensidade luminosa na floresta. É um processo que denota a inteligência – senso Stenhouse – que se dá através de um ajuste que permite à planta a usar uma espécie de memória de eventos anteriores. Não sabemos quanto tempo isto dura, ou seja, não sabemos ainda se a mesma folha irá responder da mesma forma no outro dia ou se terá que iniciar o processo de novo. Mas este experimento mostra que a memória neste caso está diretamente relacionada aos mecanismos bioquímicos e celulares da fotossíntese. A pergunta que surge a partir deste experimento é: como podemos comparar este tipo de memória com a memória em animais? No caso dos animais a memória também é um resultado de processos bioquímicos e celulares que ocorrem nos neurônios. Mas isto não quer dizer que os cloroplastos das plantas sejam de fato neurônios. Mas quer dizer sim que eles podem, em certas condições, funcionar como neurônios artificiais no sentido matemático e computacional.

Agora, se ampliarmos ainda mais este conceito de que processos bioquímicos e celulares possam se comportar como neurônios artificiais, poderíamos supor que todo o metabolismo vegetal tenha um potencial parecido com o que descobrimos nas folhas do pau-brasil.

Assim, é possível pensar que o metabolismo secundário, que é extremamente complexo nas plantas e mais intenso do que em animais, funcione também como uma espécie de memória vegetal no sentido de espalhar mensagens internas (hormônios por exemplo) e externas (compostos voláteis liberados para a atmosfera, que comunicam a outros indivíduos informações). Assim, a produção de um certo padrão de compostos secundários na planta não só comunica um status interno, que pode durar algum tempo, por exemplo, quando um certo estímulo (mudança ambiental, infecção ou infestação por predadores) é dado, como também propicia a planta com a capacidade de comunicação com o mundo externo.


Série Inteligência em plantas – 2

3 de março de 2016
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Neste artigo uso um exemplo sobre as repostas das plantas à água para mostrar como elas decidem como reagir

PROCESSO DECISÓRIO NAS PLANTAS

Marcos Buckeridge

Pensando que um processo decisório seria uma escolha de um determinado caminho para responder a uma variação no ambiente, as plantas têm sim como tomar decisões. Isto é feito através da integração das informações sobre o ambiente em determinados momentos. Como esta informação se integra é o que estamos tentando descobrir. Temos muitas informações sobre as folhas de plantas que são cultivadas para a produção de alimentos (p.ex. milho, trigo, arroz, soja), mas há pouco conhecimento sobre como a informação é processada em outros órgãos e menos ainda sobre como a informação integrada de diferentes órgãos é processada. Sabemos que não há um órgão central, como no caso dos animais (o cérebro). No caso das plantas a informação está espalhada por todo o corpo do indivíduo. Uma planta em uma condição de seca por exemplo parece ter capacidade de integrar as informações processadas nas folhas com o que as raízes estão processando e com isto decidir por exemplo se vai ou não eliminar folhas.

Por exemplo, em uma situação de seca, a umidade do ar diminui e com isto o teor de vapor de água na atmosfera cai. Esta queda aumenta o chamado déficit de pressão de vapor.  Os fisiologistas vegetais classificam a resposta (ou o tipo de decisão tomada) como isohídrica ou anisohídrica. Uma planta que responde de forma isohídrica, irá fechar rapidamente seus estômatos (poros nas folhas que controlam a entrada de CO2 e perda de água da planta) e “não irá se arriscar” esperando para tomar uma decisão mais para a frente. Mas há uma perda com isto. Ao entrar num modo de resposta isohídrico, a planta irá rapidamente alterar diversos processos em várias partes do corpo. Isto tem um custo energético tanto para processar a adaptação quando para voltar ao normal e começar a “trabalhar” novamente, fazendo fotossíntese e crescendo. Portanto é uma decisão de alto custo.

Já as plantas que respondem de forma anisohídrica irão continuar trabalhando e se arriscam a morrer se a seca permanecer por muito tempo. Mas com isto têm um custo menor de resposta. Nós sabemos que há plantas que são intermediárias em relação a estas respostas, mas ainda não conhecemos os limiares de processamento interno de informação que fazem com que a planta responda de uma forma ou de outra, ou seja “tome a decisão”. A nossa tendência em biologia tem sido explicar estes processos através de mecanismos evolutivos. Ou seja, dizer que o comportamento da planta isohídrica, por exemplo, seria um produto da seleção natural e por isto a planta se comporta assim. Porém, isto não explica de fato o comportamento da planta, mas sim o da espécie. Não conseguimos explicar, através do uso de um argumento evolutivo, como um indivíduo específico integra as informações em seu corpo para seguir um comportamento ou outro. Este é um dos grandes desafios da fisiologia vegetal moderna. Não se trata de descobrir se as plantas apresentam inteligência, se têm algum tipo de consciência ou se decidem. Isto é óbvio se usarmos os parâmetros teóricos que expliquei acima. O problema é sabermos “como” isto é feito.