Os primeiros vertebrados terrestres apareceram no Devoniano superior,
período em que ocorreu o aumento na diversidade e na especificidade de
habitats. Todas as alterações ocorridas no planeta durante este período foram
primordiais para o aparecimento dos primeiros vertebrados terrestres.
Os ecossistemas terrestres do Devoniano médio inicialmente
restringiam-se a regiões úmidas e baixas próximas a corpos de água, em função
do padrão de reprodução dos primeiros vegetais terrestres (briófitas). As
briófitas necessitavam de meio líquido para sua fecundação. No Devoniano
superior surgem as progimnospermas, primeiras plantas com sementes e com
troncos de até um metro de diâmetro e dez metros de altura. As plantas, agora
maiores, propiciaram ambientes sombreados, restringindo a insolação direta
sobre o solo, o que contribuiu para o aumento da umidade relativa do ar. Desta
maneira, novos microclimas surgiram e, de fato, os vegetais conquistaram o
ambiente terrestre.
O ambiente aquático no Devoniano era instável e durante os períodos de
seca, muitos lagos e riachos evaporavam. Apenas os peixes adaptados a utilizar
o ar atmosférico sobreviviam. As brânquias não eram estruturas adaptadas para
uso fora da água. Os peixes que conseguiram sobreviver acabaram por desenvolver
um tipo de pulmão vascularizado que acabou por levar ao surgimento da
circulação dupla.
Os membros locomotores dos vertebrados também surgiram durante o período
Devoniano. Acreditava-se que quando os lagos de água doce do Devoniano
evaporavam-se durante as secas estacionais, os vertebrados aquáticos eram
forçados a mover-se para outros que ainda contivessem água. As nadadeiras
carnosas dos sarcopterígios (os peixes pulmonados atuais) poderiam ser usadas
como remos para impulsionar sua passagem pela terra em busca de água. Dessa
maneira, o desenvolvimento gradual dos membros evoluiu como um meio de
sobrevivência na água.
Porém, a descoberta de recentes fósseis mais completos de tetrápodes
modifica essa teoria. Os fósseis indicam que todas as características desses
animais eram aquáticas, apesar dos membros locomotores tetrápodes. Atualmente
acredita-se que os tetrápodes desenvolveram seus membros na água, e só então,
por razões desconhecidas, começaram a se arrastar para fora da água.
Acredita-se que os peixes de nadadeiras lobadas sejam os parentes mais próximos
dos tetrápodes. Tanto os primeiros como os segundos compartilham diversas
características quanto ao crânio, dentes e cintura escapular.
O conturbado período Devoniano foi seguido pelo Carbonífero,
caracterizado por um clima quente e úmido. Os ecossistemas terrestres
tornaram-se cada vez mais complexos. As plantas diversificaram-se e aumentaram
em tamanho e apareceram novos invertebrados cada vez mais especializados,
incluindo os insetos que se alimentavam das plantas vivas. Neste período
também, todos os grandes grupos de peixes (ostracodermes, Placodermi,
Chondrhichthyes, Acanthodii) estavam diversificados, adaptados e bem
distribuídos pelos ambientes marinhos e de águas continentais e provavelmente
formavam comunidades ecológicas complexas com alto grau de competição e
predação.
Exatamente neste ambiente surgiram os primeiros vertebrados terrestres,
predadores insetívoros e, quanto à forma e ao tamanho do corpo, similares aos
modernos salamandras e lagartos. Os anfíbios primitivos deste período
aperfeiçoaram suas adaptações para a vida aquática: o corpo se tornou achatado
para se mover através de águas rasas e os membros, ainda fracos, eram mais
especializados para a natação do que para a vida terrestre.
Todos os anfíbios utilizam sua pele porosa para respiração. Esta
especialização foi estimulada pelos ambientes pantanosos do Carbonífero, mas
representa sérios problemas de ressecamento para a vida terrestre.
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