Rodrigo Véras

Evolução cultural e seleção natural na construção de canoas.

As semelhanças entre evolução cultural e evolução biológica são debatidas e discutidas há muito tempo. Porém o número de trabalhos quantitativos, apesar de estar aumentando muito, ainda é relativamente pequeno. Veja alguns exemplos de outros estudos recentes aqui e aqui, em posts anteriores do Eli sobre este tema.

Em estudo publicado em 2008 no PNAS, algumas das semelhanças e diferenças entre a evolução biológica e cultural foram exploradas e algumas perguntas, bem interessantes, começaram a ser formuladas na linguagem quantitativa, e repostas começam a aparecer. O objetivo inicial do trabalho era bastante simples, e mostra, com algumas questões de base, precisam ser bem estabelecidas para tornar o campo menos especulativo e cientificamente mais produtivo. A questão chave que norteou este estudo foi se padrões culturais podem se modificar seguindo modelos teóricos pré-estabelecidos, um requisito fundamental para uma investigação profunda da mudança cultural, utilizando conceitos e modelos evolutivos.

O artigo utilizou-se de um conjunto de dados que reunia os padrões de construção e design de canoas de habitantes da polinésia, uma região repleta de ilhas colonizada por um único grupo há cerca de 2500 anos. Estas condições são bastante propícias para a realização de estudos das mudanças de padrões culturais. A principal hipótese testada é se a taxa de mudança ao longo do tempo (calculada a partir das distâncias em relação as ilhas) seria diferente entre características de construção que fossem funcionalmente relevantes para o desempenho e segurança das canoas, comparadas com características simbólicas e estilísticas, sem impacto na função das canoas. Isto é, os autores compararam características que tenham um impacto direto na sobrevivência e reprodução dos indivíduos das populações que usam etas canoas, com características de impacto eminentemente cultural, potencialmente neutras em relação a sobrevivência e reprodução, mesmo que possam ser alvo de ‘seleção cultural’, um processo análogo, porém, diferente da seleção natural. Note que no caso das diferenças entre os designs funcionais, estes tem impacto sobre sobre a sobrevivência e reprodução dos indivíduos, portanto tem uma reposta na composição genética das próximas gerações, porém os diferenciais de adaptação são culturalmente transmitidos, por isso os genes pegam carona na cultura, como acontece no fenômeno de “selective sweep”.

Os dados revelaram que as características diretamente associadas a segurança, navegabilidade e etc mudam de forma muito mais lenta do que as características simbólicas e estilísticas. Este tipo de resultado quando obtido em estudos de genética evolutiva sugerem que a evolução funcional do design das canoas é fortemente coagida pela seleção natural negativa, ou purificadora, que elimina ‘designs’ menos efetivos e que incidissem em mais mortes ou menos fecundidade. Já as características simbólicas poderiam ser alvo de seleção cultural, ou viés de transmissão, talvez em função da maximização da identidade de cada grupo ou população. É interessante mencionar que a seleção cultural é um processo distinto da evolução cultural e pode mesmo assumir uma direção contrária a seleção natural. Pense por exemplo, na expansão nos anos 40 e 50 do hábito de fumar, estimulada entre outros fatores pelos filmes de Hollywood. Em outros casos a seleção cultural pode acompanhar a seleção natural, como no caso de que certos designs mais eficientes ajudassem a conquistar e colonizar mais ilhas e fossem adotados por outras populações não geneticamente relacionadas as que desenvolveram aquele design.

Estes resultados, além de mostrarem que padrões de mudança cultural podem mudar de acordo com modelos evolutivos teóricos, mesmo sendo tidos como muito contingentes, reforçando a idéia de que a evolução cultural não é uma mera metáfora ou extrapolação de linguagem. Entretanto, estes resultados também nos mostram como a evolução cultural é diferente da evolução biológica. Por exemplo, mesmo que alterações no design funcional das canoas possa culminar em maior distribuição deste traço nas diversas ilhas e populações, ajudando as migrações e colonizações, parece que as inovações (equivalente as mutações) “cegas”, ou seja, aquelas que acontecem por ‘erros’, ou imperfeição na transmissão cultural ,tenham um impacto mínimo, sendo muito superado por inovações deliberadas e bem pensadas ou por tentativa e erro. O que pode ser bastante diferente no caso de designs não funcionais, como alterações nos símbolos, nos quais o viés de transmissão e ‘erros’ neste processo, associados a colonização de novas ilhas podem ajudar a criar diferenças culturais maiores, sem as restrições funcionais habituais.

Os próprios autores são muito claros, em relação as diversas interpretações possíveis para os seus resultados e a importância de estudos futuros, bem como a construção de outros conjuntos de dados culturais como estes, além da comparação de múltiplos modelos, envolvendo seleção positiva e negativa, seleção cultural, deriva, viés de transmissão, etc. A consciência destas questões mostra como a evolução cultural pode ser um arcabouço diversificado e ao mesmo tempo rigoroso para estudar as mudanças culturais, afastando um pouco a ideia de que as ferramentas de análise evolutiva possam simplificar demasiadamente e deixar de lado as complexidades e contingências das mudanças culturais. Estes resultados inciais, as considerações dos autores e o tipo de abordagem parecem fazer juz aos detalhes e complicações daquilo que entendemos por cultura e apresentam um caminho, no mínimo, muito interessante para estudá-la.

Referências:

  • Rogers DS, Ehrlich PR. Natural selection and cultural rates of change. Proc Natl Acad Sci U S A. 2008 Mar 4;105(9):3416-20. Epub 2008 Feb 19. PubMed PMID: 18287028; PubMed Central PMCID: PMC2265130.
  • Shennan S. Canoes and cultural evolution. Proc Natl Acad Sci U S A. 2008 Mar 4;105(9):3175-6. Epub 2008 Feb 27. PubMed PMID: 18305151; PubMed Central PMCID: PMC2265163.

Qual será o futuro genético da humanidade?

ResearchBlogging.orgMichael Lynch, pesquisador da universidade de Indiana, tem uma impressionante lista de publicações, além de trabalhar com algumas das questões mais interessantes da genética de populações e da biologia evolutiva como um todo. O campo que ele, e outros, estão construindo, possibilitado pelo recente acúmulo seuências de genomas de diversos organismo e da análise comparativa destes, pode ser chamada de genômica evolutiva.

Em sua página, na Universidade de Indiana, encontram-se alguns dos tópicos de pesquisa de seu grupo. Entre eles estão o estudo da evolução da complexidade genômica, desenvolvimento de metodologias para análise de dados genômicos em larga escala, estudo dos efeitos da recombinação na evolução e, finalmente, ainvestigação do papel das mutações na evolução. Em suas pesquisas uma incrível montanha de dados dos genomas de diversos organismos modelos (além das análises de experimentos com milhares de gerações do micro-crustáceo Daphnia e unicelulares eucariontes) é submetida a um intenso tratamento matemático, que utiliza-se das ferramentas da moderna genética de populações. Tanto é assim que o mote do laboratório de Lynch é uma paráfase, devidamente modificada, do adágio de Dobzhanski, “nothing in evolution makes sense except in the light of population genetics.”

Lynch tem defendido, através de muitos estudos publicados nos mais respeitados periódicos acadêmicos, que a complexificação do genoma dos eucariontes, principalmente o de multicelulares, é conseqüência
indireta da redução do tamanho efetivo das populações e enfraquecimento (limitação da eficácia) da seleção natural negativa sobre mutações deletérias. Assim a manutenção e o aparecimento de
muitos “embelezamentos genômicos” (termo adotado pelo próprio Lynch) são resultados do efeito da deriva genética, associada a outros mecanismos estocásticos, além de certas tendencosidades ou ‘viéses’ de mutação. Estes “embelezamentos”, então, puderam ser secundariamente co-optados adaptativamente e, só a partir daí, esculpidos pela seleção natural. Porém, assim como as mutações e forças estocásticas podem ser a chave para a evoluçãomolecular e fenotípica, elas, em sua grande maioria deletérias, impõem custos populacionais e podem, inclusive, contribuirpara o risco de extinção de certas espécies, especialmente quando
a seleção negativa, seja devido a estruturação populacional ou a organização desenvolvimental e reprodutiva de uma linhagem, torna-se menos eficiente.

Em um artigo publicado em janeiro deste ano, no PNAS, Lynch usa estimativas das taxas de mutação somáticas e germinativas e analisa o espectro mutacional (a distribuição dos efeitos de mutações) e

as conseqüências destas mutações na nossa própria espécie. Sendo estes dados especialmente relevantes para as populações humanas que vivem em países ou regiões desenvolvidos.

Infelizmente ele não trás boas notícias para as nossas próximas gerações. Se os leitores desta resenha ainda tem alguma ilusão de que a evolução é uma marchairrefreável para o ‘progresso’ e que nós somos algum tipo de ápice evolutivo, espero que reconsiderem estas idéias a luz da genética evolutiva moderna.

A despeito da importância inegável deste tópico, ainda sabemos muito pouco sobre como se distribuem as novas mutações na nossa espécie. Por exemplo, quão frequentemente surgem novas mutações germinativas e somáticas, e em que proporção acometem os diferentes sexos? Qual a incidência das várias formas de mutação? Como este espectro de mutações se compara ao de outras espécies? E o mais importante, quais as conseqüências destas mutações para o bem estar de longo prazo de nossa espécie? Estas perguntas serão muito mais fáceis de responder nas próximas décadas, quando as iniciativas de barateamento e refinamento do

seqüenciamento de genomas inteiros de indivíduos estiverem disponíveis. Entretanto, até lá, podemos usar uma série de técnicas e procedimentos, aplicados ao dados disooníveis dos bancos de mutações pontuais (os
famosos SNPs) em loci associados a doenças monogenéticas dominantes com grandes efeitos fenotípicos característicos. Amostrando genes autossômicos e ligados ao cromossomo X é possível estimar as taxas de novas mutações comparando-se os fenótipos dos pais e filhos, quando lidamos com doenças monogenéticas com efeitos fenotípicos bem claros.

Entre os diversos tipos de mutações aquelas que envolvem substituições de um nucleotídeo por outro são as mais estudadas, dividindo-se em dois grupos principais.

Nonsense (‘sem sentido’): Substituições de nucleotídeos que acrescentam um codon de parada precoce, por exemplo, resultando em uma proteína truncada, muitas vezes não funcional.

Missense (‘sentido errado’): Substituições de nucleotídeos que provocam a mudança de aminoácidos alterando a seqüência do polipeptídeo codificado pelo gene.

Porém, além delas existem os famosos indels, inserções e deleções, podendo perfazer de 1até centenas de nucleotídeos; e as mutações na interface entre introns e exons, estas últimas típicas de organismos eucariontes, cujos genes são dividos em porções codificadoras, os éxons,e ntrecortadas por regiões não codificadoras, os introns, que são removidas do RNA pré-mensageiro por um complexo ribo-protéico chamado de splisseossoma. Certas regiões dos introns evoluem de forma neutra, porém outras marcam os sítios de splicing e podem, caso mutadas, produzir conseqüências drásticas na formação do transcrito final e no polipeptídeo sintetizado a partir dele. Neste artigo, Michael Lynch oferece e discute vários dados importants sobre a taxa, o espectro e as consequências das mutações em nossa espécie:

1)Estimativa revista da taxa de mutação por sítio de nucleotídeo;

2)Comparação com dados de diversas espécies apontam para uma hipótese geral sobre a composição de bases do genoma que parece valer para boa parte da vida celular;

3)Uma avaliação do custo mutacional de introns demonstra a vulnerabilidade dos genes humanos é função não só da alta taxa de mutação, mas também de aspectos da estrutura dos genes;

4)Levando em consideração a taxa de mutação das linhagens germinativas e somáticas e seus prováveis efeitos, são exploradas as conseqüências de longo prazo para o bem estar genético humano, dando crédito algumas preocupações já anteriormente levantadas.

Metodologia:

Os dados foram obtidos através do banco de dados Online Mendelian Inheritance in Man do NCBI, e de exame detalhado dos artigos sobre os genes em questão. Foram utilizados 21 genes de doenças autossômicas dominantes e 13 ligadas ao cromossomo X. Adicionalmente informações sobre outros 23 genes, associados a doenças autossômicas dominantes, e 5, ligadas ao X, foram utilizadas para ajudar na determinação do espectro de mutações, apesar de não conterem informaçãosufiiente para poderem ser usados para a estimativa da taxa de mutação.

Taxa de mutação de substituição de bases:

As estimativas anteriores baseavam-se apenas em análises de mutações nonsense, reduzindo substancialmente a amostra e tornando-se mais sensível a possibilidade de superestimar a taxa de mutações geral. Isso ocorre por existir um certo viés mutacional na direção dos nucleotídeos A+T. Além disso,
mutações nonsense envolvem apenas códons de parada (TAA, TAG e TGA) que são ricos em ATs, mas não possuem o nucleotídeo C, então, desta
forma, mutações para C não podem ser detectadas nas cadeias codificadoras.

Michael Lynch estimou a taxa de mutações de substituição de nucleotídeos (para genes que passam o mesmo tempo em homens e mulheres, ou seja, controlando para as diferenças em mutações em genes autossômicos e ligados ao X) em 12,85 (±1,95) x 10 -9 substituições por sítio por geração.

Pressão universal de mutação em direção a A+T:

Aqui temos um dado bastante interessante. Em todas as espécies bem caracterizadas, com exceção do nematóide Caeonrhabditis elegans, a razão transição/transversão é muito diferente do valor 0,5 esperado caso as mutações fossem completamente aleatórias, ou seja, equiprováveis. Boa parte destes fatos, podem ser
explicadas pela tendência maior de mutações do tipo transição G:C →A:T; o que também é verdade para os seres humanos. Acontece que ao analisar-se a taxa de mutação condicional, aquela obtida ponderando-se pela
incidência na base inicial, obtém-se uma estimativa da composição de A+T (no equilíbrio esperado se esta dependesse apenas da pressão de mutação) muito superior a composição total de A+T na grande maioria das espécies com espectros de mutação bem caracterizados, mesmo em sítios silenciosos, ou seja, cuja substituição não afeta a seqüência polipeptídica. Este fato sugere que a tendenciosidade nas mutações na direção de A+T são contrabalançadas por seleção favorecendo C+G.

A partir de algumas suposições envolvendo o equilíbrio mutação-deriva-seleção é possível demonstrar que estes desvios observados são uma função de um parâmetro composto, 4Nes, onde Ne é o tamanho efetivo da população e s é o coeficiente de seleção favorecendo os nucleotídeos C+G. As estimativas para 4Nes estão variam de 0.35 a 1.61 através das várias espécies, implicando, segundo Lynch, que a magnitude média do poder da seleção, operando na composição de bases, é da mesma ordem de magnitude em relação a deriva genética em várias espécies. E como Ne diminui, em várias ordens de magnitude, nos multicelulares, assim também diminuindo a eficiência da seleção, este fato tem como corolário que a seleção em favor da composição de bases aumenta proporcionalmente ao poder da deriva genética nos multicelulares. Assim a variação da composição de bases nos diferentes organismos vai depender basicamente da variação dos viéses mutacionais. Porém, além da seleção, outros fatores podem distorcer as espectativas na composição de bases dos diversos genomas, entre elas podemos citar a conversão gênica enviesada na direção de C+G, além da maior estabilidade de C:C em relação a A:T.

Inserções e Deleções:

Pequenas deleções, por volta de 1 à 50 pares de bases (pb), em humanos, parecem ser 3 vezes mais comuns que inserções do mesmo tamanho, com a ocorrência de ambas as alterações decrescendo com a potência de
1,82 do tamanho dos fragmentos. Entre as mutações segregantes em seres humanos deleções são cerca de 2,1 a 4,1 vezes mais comuns do que as inserções, o que é compatível com o viés de 3vezes, assumindo-se

que os dois tipos de alterações são igualmente deletérios.

As estimativas para o número de mutações de 1 a 50 pb nos conjuntos de dados utilizados são 2.585 e 903 para deleções e inserções respectivamente. A figura 1 mostra uma função ajustada para as inserções e deleções na qual ignoram-se mutações com números de nucleotídeos múltiplos de três, já que muitas delas permanecem não detectadas por não alterar a janela de leitura. A taxa deste tipo de mutação ao extrapolar os valores é estimada em 0,58 a 0,20 x 10 -9por sítio por geração, apenas cerca de 6% do total de substituições envolvendo bases únicas.


Custo dos introns:

Aqui as coisas se complicam um pouco mais. Segundo Lynch, é possível estimar os custos de introns em unidades equivalentes de sítios codificantes ao considerar-se a razão dos alvos, RT (isto é o número de introns por genes dividido pelo número de nucleotídeos codificadores por gene) e RM (ou seja, o número de mutações observadas m alelos defeituosos resultando em padrões de splicing alterados divididos pelo número de regiões codificadoraalteradas, definidas no artigo como o total de todas as substituições de bases e todas os indels menores que 50 pb não conhecidos por afetar o splicing). Esta razão RM/RT produz uma estimativa do custo

médio de um intron em um locus em unidades de nucleotídeos codificadores. O custo médio calculado por Lynch, neste artigo, é de cerca de 30,8 equivalentes de pares de bases. Isto quer dizer que a adição de um intron a um gene humano é em média equivalente a adicionar cerca de 31 nucleotídeos a região codificadora deste mesmo gene. Uma estimativa tendendo para baixo, segundo o próprio Lynch, por vários motivos relacionados a estrutura dos próprios introns e das regiões codificadoras nos exons envolvidas no reconhecimento de sítios de splicing. Lynch chama a atenção para outra questão importante, o custo médio
relativo de um intron é função das restrições funcionais associadas ao genes em questão, apesar de em média o número em equivalentes de bases não vá variar muito. Isto é, quanto maior a importância do gene e maior forem suas restrições funcionais associadas a sua seqüência, estes mesmos 31 equivalentes de nucleotídeos podem ser mais ou menos importantes na interrupção do papel funcional do produto deste gene. Entretanto, é possível obter uma estimativa mais direta do custo de um intron, ao assumir-se que todas as mutações associadas com splicing são detectáveis e, após corrigi-las para a detectabilidade da substituições de bases, chega-se a um valor de 0,036 mutações de splicing por substituição de bases em um gene humano médio. Este número, se transferidos para os loci analisados neste trabalho, resulta em uma taxa de mutações
associadas a sítios de splice de cerca de 69,6 x10-9 por intron por geração. Mas o que isso quer dizer? De acordo com Lynch, levando em conta que este número deve estar subestimado, com uma média de 8 introns por regiões de uma proteína, um gene humano típico experienciaria uma elevação de 10 -6 na taxa de mutação (de uma alelo normal para um defeituoso) por geração, comparado com um alelo que não possuísse introns.

Estes resultados parecem indicar que nossa espécie confronta-se com um substancial desafio mutacional:

  1. Uma taxa relativamente alta de mutações por sítio por geração nas linhagens germinativas;

  2. Um inflacionamento adicional da taxa de mutação e produção de alelos defeituosos, devido a certos aspectos estruturais dos genes;

  3. Uma grande bagagem cumulativa de mutações somáticas impostas por um início tardio da maturidade em nossa espécie.

Elevada taxa de mutação por geração:

A elevada taxa de mutação por geração é apenas parcialmente compensada pela (proporcionalmente muito menor) taxa de mutação por divisão celular que, em nós humanos, está em torno de 0,06 x 10 -9 mutações por sítio por divisão celular de células (assumindo-se 216 divisões celulares em média das linhagens germinativas), comparados, com 0,13, 065 e 0,16 x 10 -9, respectivamente em Drosophila melanogaster ( 36 divisões por geração), C. elegans (8,5 divisões por geração) e Arabinopsis thaliana (40 divisões por geração). No entanto, a taxa de mutação de substituições de bases em seres humanos é ainda 2x maior do que a Drosophila (~ 4.65 ×10-9),C. Elegans (5.60 × 10-9), e Arabidopsis (6.50 × 10-9), além de ser substancialmente maior do que a de um eucarionte unicelular como Saccharomyces cerevisiae (~ 0.33 × 10-9) ou a da bactéria Escherichia coli (~ 0.26 × 10-9). Este números são compatíveis com a hipótese de que o poder da seleção natural de minimizar a taxa de mutação é comprometido pelo aumento do poder da deriva associado a diminuição de Ne que ocorre na transição da unicelularidade para a multicelularidade.Inflação nos tamanhos dos alvos mutacionais associados a complexidade estrutural dos genes.

Outra conclusão, que pode ser retirada das estimativas deste estudo, é de que cerca de 15% das mutações causadoras de doenças devem ser originadas de mutações que envolvem splicing. Além disso, usando estimativas conservadoras da etiologia genética de muitas doenças, especialmente cânceres, doenças cardiovasculares e metabólicas, cerca de 8% das mortes humanas são causadas por mutações em sítios de splicing dos cerca de 150 000 introns distribuídos pelo genoma humano.

O custo cumulativo das mutações somáticas:

Um ponto bastante interessante do estudo de Lynch é sua análise do acumulo de mutações somáticas em seres multicelulares de longa duração como nós. Mesmo que sejam as mutações nas linhagens germinativas que tenha a real importância a longo prazo, as mutações somáticas também podem contribuir negativamente ao agirem como fatores ambientais aumentando a mortalidade e diminuindo a reprodução. As estimativas da taxa de mutações somáticas são bastante mais grosseiras do que as para as mutações nas linhagens germinativas, mas mesmo assim revelam um quadro bastante drástico. Por exemplo mesmo em uma idade de 15 anos o número de mutações esperadas,em uma célula somática média, por sítio estaria em torno de 10 -6 a 10 -7 por nucleotídeo codificador, cerca de uma ordem magnitude maior do que o esperado para as linhagens germinativas. Tecidos com alta taxa de proliferação, como o epitélio intestinal, na mesma idade, podem alojar de 4000 à 40000 mutações. Passando um pouco dos 60 anos de idade o epitélio intestinal já teria alcançado cerca de 10 -9 mutações independentes.

Conseqüências de longo prazo das mutações nas linhagens germinativas:

Lynch é bem claro ao lembrar que o requerimento padrão para a manutenção da saúde de uma espécie é que a diminuição da aptidão média de uma espécie, provocada pelo aporte de mutações deletérias a cada geração, seja compensada pela retirada destas mesmas mutações através da seleção natural. Desta forma, caso a eficiência da seleção natural seja enfraquecida ou mesmo eliminada, a viabilidade e fecundidade normal pode ser mantida por cuidados paliativos e melhoramento ambiental, como os associados a melhores cuidados médicos e alimentação. Porém, este é um a padrão insustentável a longo prazo, já que acúmulo de mutações
deletérias teria que ser acompanhado proporcionalmente pelo aunebto do investimento em produtos farmacêuticos, novas estratégias terapêuticas e outras formas de cuidados. Este tipo de preocupação é antiga, sendo primeiro articulada nos trabalhos de H. J. Miller, ainda na década de 50, mas só mais recentemente, é que parece ter ganho credibilidade quantitativa.

Lynch estima que cada novo recém nascido adquire um total de 50 a 100 novas mutações, sendo que uma fração destas são deletérias. Baseado em análises de outros autores, Lynch calcula que 0,86 destas novas mutações provocariam alterarações nos aminoácidos codificados por genes destes recém nascido, com 5% destas mutações envolvendo alterações nonsense e 95 % missense. Assim, usando as estimativas das alterações em s, calculadas por outros autores, o declínio de aptidão esperada para mutações em regiões codificadoras estaria entre 1 a 3% por geração, caso o poder da seleção fosse completamente relaxado. Levando em conta outros fatores e tipos de mutação, muito mais difícil de estimar, este número poderia estar entre 2 e 10% de declínio na aptidão média por geração para todos os tipos de mutações deletérias. Este cenário poderia ser ainda piorado caso as condições ambientais fossem modificadas, por exemplo ao se aumentar a concertação de agentes genotóxicos por ação humana, o que elevaria a taxa total de mutações.

O mais assustador é que, de acordo com o artigo de Lynch, esta diminuição na aptidão seria quase imperceptível por geração, mas causaria grandes problemas ao longo dos próximos séculos e milênios.

Lynch termina este artigo com o seguinte parágrafo:

Assim, as observações anteriores pintam um quadro bastante austero. Pelo menos nas sociedades altamente industrializadas, os efeitos deletérios da mutações se acumulam numa escala de tempo que éaproximadamente a mesma para os cenários associados ao aquecimento global – talvez não s ndo motivo de grande preocupação em uma ou duas gerações, mas com conseqüências muito importantes em escalas temporais de dezenas de gerações. Sem uma redução na transmissão de mutações deletérias das linhagens germinativas, os fenótipos médios dos habitantes das nações industrializadas serão provavelmente bastante diferentes em apenas dois ou três séculos, com significativa incapacitação nos níveis morfológicos, fisiológicos e neurobiológicos. Ironicamente, o futuro genético da humanidade podem residir principalmente nos pools gênicos dos segmentos menos industrializados. Possíveis soluções para este problema, incluindo ar das sociedades. Possíveis soluções para este problema, incluindo o armazenamento criogênico multigeracional e utilização de gametas e/ou embriões, irão aumentar significativamente os conflitos éticos entre considerações de curto prazo e as longo prazo.”

As estimativas de Lynch, para o decréscimo em aptidão por geração, podem ser um tanto exageradas. Porém, mesmo se este fato for verdadeiro, isso só atrasaria a questão. Talvez dando-nos um pouco mais de tempo. Em breve teremos estimativas muito mais precisas, quando estiverem disponíveis as novas estratégias de seqüenciamento (e re-seqüenciamento) de genomas inteiros individuais a baixo custo. Só então poderemos chegar a uma conclusão mais minuciosa sobre o futuro genético de nossa espécie. Entretanto, até lá, seria interessante já começarmos a nos preocupar com esta questão, não nos esquecendo jamais que somos apenas mais uma espécie que pode se extinguir como qualquer outra. Porém, a nossa inventividade e tecnologia, que em parte intensificou este quadro de possível “declínio” genético, pode nos ajudar a superá-lo. Afinal esta constante busca por soluções também parece ser parte da nossa natureza.



Referências:

Lynch, M. (2010). Inaugural Article: Rate, molecular spectrum, and consequences of human mutation Proceedings of the National Academy of Sciences, 107 (3), 961-968 DOI: 10.1073/pnas.0912629107

crédito das imagens:
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Penas, para que te quero?

Já faz tempo que a imagem icônica dos dinossauros não é aquela típica dos desenhos e filmes feitos até meados dos anos 60 e 70. Lagartos agigantados e lerdos que arrastavam sua caudas de maneira pesada e desajeitada. Mesmo as representações que já mostram os dinossauros como animais ágeis e ativos, porém ainda com escamas grossas e reptilianas, fomentadas por filmes bem mais recentes (pós revolução do CGI), como Jurassic Park e sua seqüências, já começam a dar a impressão de desatualização. Frente aos belíssimos fósseis escavados e analisados nas ultimas décadas, em um espaço cada vez menor de tempo, nossa visão sobre estes incríveis animais vem se alterando
ainda mais, bem como nossa apreciação da complexidade e diversidade dessas criaturas.


Uma dessas mudanças de perspectiva é a crescente constatação de que os dinossauros não se extinguiram. As aves modernas não são, somente, os animais viventes mais aparentados com os dinossauros, elas próprias são dinossauros. Este grupo de vertebrados são os remanescentes da grande extinção do final do período cretáceo,
cerca de 65 milhões de anos atrás. Que extinguiu os demais dinossauros. Esta proposta ainda encontra alguma resistência de certos autores no meio cadêmico. Porém esta idéia parece cada vez mais difícil de ser negada. As aves, muito provavelmente, se originaram a partir de nossauros terópodes do caldo coelurossáuria, mais especificamente de um subgrupo chamado maniraptora, o mesmo grupo taxonômico ao qual pertencem os famosos velocirraptores.

As tentativas de achar furos nas filogenias que colocam as aves como um subgrupo dos terópodes (buscando enfatizar as diferenças entre os dinossauros “não-avianos” e os dinossauros “avianos”) não tem surtido muito efeito sobre a comunidade científica. A grande maioria dos paleontólogos vêem as aves, simplesmente como dinossauros vivos. Nenhuma hipótese filogenética alternativa é oferecida pelos críticos do modelo vigente, apenas vagas alusões de que as aves teriam se originado muito mais cedo, antes mesmo da origem dos terópodes, de um grupo desconhecido de Arcossauros (grupo ao qual tanto os dinossauros como os crocodilianos pertencem). Porém, a falta de fósseis evidenciando uma origem mais antiga para as aves, associada a fraqueza dos argumentos (que visam “demonstrar” que evolução das aves a partir dos dinossauros é improvável) é que são os maiores problemas das críticas a idéia de que as aves são dinossauros.

A despeito dessa controvérsia remanescente, uma coisa parece inegável. As penas, uma das mais distintivas características das aves modernas, simplesmente não “surgiram para o vôo”. A utilização das penas para o vôo parece ser uma co-optação, desta estrutura para uma nova função, relativamente tardia do ponto de vista filogenético (veja o artigo de Eli Vieira neste mesmo blog). Diga-se de passagem, a co-optação funcional (ou exaptação) de uma estrutura, e utilização dessa mesmas estrutura para diferentes funções em linhagens descendentes, parece ser algo muito recorrente na evolução.

Nas últimas décadas evidências tem se acumulado mostrando que as penas já existiam em certos grupos de dinossauros, como os já mencionados grupos tetrápodes, mas muito possivelmente também, em outros grupos, como em certas linhagens de Ornithischia, uma das duas ordens que, junto com Saurischia (grupo formado pelos grande sarópodes e terópodes), formam o táxon Dinosauria.

Boa parte destas evidências vem de sítios fossilíferos localizados na China. Estas incríveis localidades tem revelado ao mundo muitos exemplares de dinossauros “não-avianos” com penas. Por isso, não é surpresa que, destes mesmos sítios, venha nossa mais recente janela para o passado longínquo. Desta vez os achados paleontológicos trazem pistas sobre o desenvolvimento ontogenético das penas nos dinossauros. Algo que pode motivar muito trabalho experimental e teórico na biologia evolutiva do desenvolvimento, a cada vez mais popular, “Evo-Devo”.


Em um artigo da Nature, Xu e colaboradores descrevem dois espécimes, STM4-1 e STM22-6, de dinossauros terópodes do cretáceo inferior, encontrados a oeste da província de Liaoning na formação de Yixian, China. O fato mas peculiar sobre estes dois espécimens é que ambos parecem ser indivíduos juvenis porém em fases diferentes de desenvolvimento. Já é bastante raro encontrar espécimens juvenis bem preservados, sobretudo com estruturas delicadas como penas, mas é ainda mais raro encontrar espécimens que ilustrem fases diferentes de desenvolvimento da mesma espécie.

Os dois espécimens possuem uma série de características derivadas partilhadas com outros maniraptores. Com crânios com uma região pré-orbital pequena; pré-maxila com uma grande região central, narinas externas dorsalmente posicionadas; uma grande fenestra mandibular e um longo processo retro-articular; além de um haste pubiana curvada anteriormente, ambos espécimes tem todas as indicações de serem pertencentes ao grupo de Oviraptorossauria, Similicaudipteryx, encontrados recentemente em escavações na mesma região.

STM4-1 possui características típicas de animais juvenis, com estrias longitudinais presentes nas superfícies dos ossos (muito possivelmente devido a calcificação incompleta) e arcos neurais não
fundidos na região central, com exceção da região da vértebra caudal. O espécimen também é muito menor do que adultos ou sub-adultos de outros fósseis de Oviraptorossauria, com um fêmur de 38 mm. Apesar de bem maior, com um fêmur de cerca de 140 mm, STM22-6 também parece ser um animal juvenil, já que os arcos neurais não estão ainda fundidos nas vértebras dorsal e caudal. Xu e
colaboradores sugerem portanto que STM4-1 e STM22-6 sejam respectivamente formas juvenis, iniciais e tardias de Similicaudipteryx.

As penas são estruturas epidérmicas que crescem a partir de folículos, como as escamas e os pelos em outros vertebrados, sendo formadas de uma substância chamada de queratina, a mesma que forma nossos cabelos e unhas. Existem vários tipos de penas, como as rêmiges e as retrizes, ambas chamadas “penas de vôo”, pelo menos nas aves modernas. As rêmiges cobrem as asas, possuindo contorno assimétrico, mais largas na sua parte interna; já as retrizes cobrem a cauda e tem contorno simétrico. Além delas, temos as tetrizes que são penas de cobertura e as plumas que são estruturas bastante delicadas que também revestem o corpo das aves. As penas podem ser subdivididas da seguinte forma: cálamo (a base oca) e ráquis (a haste central) que juntas formam o “eixo da pena” e as barbas e bárbulas que forma o “vexilo (ou lâmina) da pena”.

Os espécimens encontrados em Yixian tem uma combinação peculiar dessas estruturas e a disposição das penas e as características particulares delas em cada um dos espécimens sugerem que o desenvolvimento das penas ocorria de forma bastante diferente nesses animais em relação ao que acontece nos “dinossauros avianos”, ou seja, nas aves modernas. Xu e seus colegas sugerem que originalmente havia mais
diversidade e até flexibilidade desenvolvimental em relação as penas, mas que boa parte dela foi eliminada com a extinção das demais linhagens de terópodes.

As rêmiges são muito menores que as retrizes no espécimen STM4-1 do que em STM22-6, onde a diferença de tamanho é muito menos pronunciada. Esta outra diferença ontogenética em relação ao tamanho relativo das penas pode sugerir que as rêmiges desenvolviam-se em uma taxa desigual nos Similicaudipteryx, talvez “possivelmente refletindo o aumento no papel funcional das rêmiges em indivíduos se aproximando da fase adulta”.

No artigo, Xu, chama mais atenção para o contraste entre as rêmiges e retrizes do espécimen juvenil mais “crescido”, STM22-6, para as suas contrapartidas em STM4-1, o espécimen mais jovem, no qual as regiões proximais, ou seja, próximas a base, assumem a forma de laço e as regiões distais formando pontas “penosas”. Isto é algo que não parece ocorrer nas aves modernas que sofrem poucas mudanças após a primeira geração de penas. As rêmiges e retrizes em STM4-1 (aparentemente não podendo ser caracterizadas com primeira geração de penas) e STM22-6 são bastante diferentes umas das outras, sugerindo, segundo Xu, que mudanças morfológicas significantes dos tipos de penas ocorreriam mesmo na fase logo após a eclosão dos ovos. Algo que não é conhecido em nenhuma ave moderna.


A presença desses dois morfo-tipos (STM22-6 e STM4-1) indica que um processo de “muda” de penas, como nas aves modernas, ocorria em Similicaudipteryx como parte do seu desenvolvimento ontogenético. A possibilidade alternativa de que essas diferenças representem apenas mudanças em uma única geração de penas parece muito menos provável, principalmente ao comparamos os tamanhos dos espécimens, julgando-os pelas diferenças do comprimento do fêmur, como o de STM4-1 sendo menos de 30% do comprimento do fêmur de STM22-6. Os autores vão mais além e sugerem que outros estágios deveriam existir além daqueles inferidos a partir dois morfo-tipos. Pelo menos mais um estágio de primeira geração de penas, e quem sabe estágios intermediários entre STM4-1 e STM22-6.

Penas “penáceas” (não plumosas) na forma de laços em sua porção distal (PRPFs) semelhantes as encontradas no espécimen STM4-1 também estão presentes em confuciusornitideos e outras aves ditas “primitivas”. Este tipo de pena parece ser amplamente distribuído tanto em grupos “basais” de aves como em “dinossauros não-avianos” maniraptores.

Três tipos de genes, Bone Morphognetic Protein (BMP), noggin e sonic hedgehog (SHH) desempenham um papel essencial na formação da raque e das barbas e do balanço entre estes elementos nas penas das aves modernas. Por este motivo, Xu e seus colaboradores, especulam que
alterações nos padrões de ativação dos genes relacionados com a especificação das barbas e da apoptose (morte celular programada) das regiões inter-barbas, provocados por genes “apoptóticos
inter-barbas”, poderiam gerar os morfo-tipos representados pelos dois espécimens estudados.
Uma possibilidade envolveria a supressão do gene SHH que poderia formar vexilos contínuos que seriam “basicamente laminas de queratina não divididas em barbas”. Outra possibilidade é que este padrão poderia ser gerado pela expressão incompleta dos genes especificadores das barbas e apoptóticos inter-barbas. Estes genes são expressos muito cedo no desenvolvimento das gerações de
penas das aves modernas, mas ao comparar os padrões de desenvolvimento sugeridos pela análise dos dois morfo-tipos, os autores sugerem que a ativação, em
Similicaudipterix, aconteceria de forma mais tardia e espacialmente incompleta produzindo a morfologia característica do morfo-tipo mais jovem, SMT4-1, apenas parcialmente coberto por penas penáceas. Este padrão então se modificaria nas fases mais tardias e, provavelmente, na fase adulta, onde a expressão dos genes especificadores das barbas e apoptóticos inter-barbas seriam expressos de forma equivalente ao que acontece nas aves modernas.

A expressão limitada do mesmo subconjunto de genes desenvolvimentais também poderia gerar outro tipo de penas do tipo elongadas amplas e filamentosas (EBFF) em outros tipos dinossauros terópodes encontrados recentemente. Estes achados, tomados em um contexto maior, levaram Xu e seus colaboradores a propor que as etapas de desenvolvimento inferidas a partir dos dois espécimens de Similicaudipterix e das recentes descobertas de dinossauros “não-avianos” basais com penas do tipo PRPF e EBFF, eram produzidas por um sistema genético semelhante ao atual, mas no qual a expressão de certos genes como especificadores das barbas e apoptóticos inter-brabas eram
incompletas ou mesmo completamente ausente. Além disso, apesar dos achados relatados no artigo e outros dados recentes serem consistentes com o modelo padrão de evolução das penas (
barbas
→ ráquis → vexilo
) a origem das penas parece ter sido mais complicada, inclusive com uma
maior flexibilidade e diversidade que simplesmente se perdeu durante a evolução e não está mais representada nas espécies de terópodes modernos, as aves. A filogenia proposta pelos autores aponta para esta diversidade original e sugere que os tipos 1,2,7 tenham se perdido com a extin
ção dos dinossauros não avianos.

Os estudos do grupo de Xu e outras novas descobertas, e análises de fósseis de dinossauros do período cretáceo, nos ajudam a
compreender como a evolução “molda” os fenótipos através de
alterações ontogenéticas, revelando nuances que a pouco tempo não eram nem imaginadas. Este trabalhos jogam um pouco mais de luz sobre o problema do desenvolvimento de novas características e, ao mesmo tempo, permitem-nos apreciarmos melhor o fato que a diversidade atual é só uma fração daquilo que já existiu.


Referências:

Xu, X., Zheng, X., & You, H. (2010). Exceptional dinosaur fossils show ontogenetic development of early feathers Nature, 464 (7293), 1338-1341 DOI: 10.1038/nature08965

Vieira, E. 2008. Penas: marcas indeléveis da evolução das aves.; Evolucionismo.ning.com, acesso em 05/05/2010.

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