Rodrigo Véras

Dentes, armaduras e a evolução dos peixes esgana-gatas

Os peixes esgana-gatas de três espinhos têm sido de grande valia para o aprofundamento de nossa compreensão das bases moleculares da evolução morfológica adaptativa. Eles servem como um dos grandes modelos dos estudos de Evo-Devo – a biologia evolutiva do desenvolvimento. Estes animais são excelentes modelos de estudo tanto por causa de sua abundância e facilidade de coleta, bem como por serem de fácil manutenção em laboratórios, propícios a cruzamentos entre populações distintas (e entre espécies próximas); além de serem ótimos para estudos embriológicos e moleculares. Existe também um bom registro fóssil dos mesmos, tendo estes animais re-colonizado os mesmos tipos ambientes várias vezes a partir de populações marinhas em um ‘quase-experimento‘ natural replicado, que tem se repetido nos últimos 15 000 anos.

Este é um dos pontos mais importantes e que os tornam tão bons modelos de estudos de evolução. As  populações destes pequenos peixes passam por mudanças evolutivas muito rápidas quando se deslocam do oceano para os lagos de água doce. Elas perdem a sua armadura óssea e ganham mais dentes. Isso acontece em períodos de menos de 10 anos, permitindo que a evolução morfológica extensiva seja analisada em tempo real. Porém, talvez o ponto mais interessante seja o fato de estas mudanças rápidas não envolverem mutações nas regiões codificadoras dos genes – ou seja, naquelas porções do DNA que especificam diretamente as sequências de aminoácidos das proteínas. As mutações responsáveis por estas alterações ocorrem nas regiões de DNA (cis)regulatórias que são aqueles trechos não codificantes, mas que estão associados ao controle da transcrição dos genes e portanto a regulação de sua expressão [1, 2.]

Espécime marinho adulto (acima) e de água doce dos esgana-gatas (parte inferior) de três espinhos marcados com um corante vermelho para as porções ósseas calcificadas. O peixe de água doce rapidamente perde sua armadura, nadadeira pélvica e outros ossos após a passagem do oceano para os lagos. (Foto cortesia de Nicholas Ellis e Craig Miller, UC Berkeley)[1]

Agora, um novo estudo traz evidências que um destes genes que codifica a proteína morfogenética óssea 6 (BMP6), cujo locus está localizado no cromossomo 21, seria o responsável pela variação do número de dentes entre as populações lacustres e marinhas. O mapeamento genético e estudos de expressão genica feitos nestes animais mostram que existem mudanças regulatórias neste gene e na vias de sinalização embriológicas nas quais ele está envolvido.  Os autores do artigo localizaram o gene e identificaram estes padrões de atividade diferencial cruzando esgana-gatas marinhos do Alasca com esgana-gatas de água doce do lago Paxton, no Canadá. Eles observaram que os peixes canadenses têm cerca de duas vezes o número de dentes das suas contrapartidas oceânicas do Alasca. Mantendo o padrão dos outros estudos sobre evolução morfológica de esgana-gatas, embora a região codificante deste gene pareça ser idêntica em todos os esgana-gatas estudados, as regiões reguladoras de DNA, próximas a região que codifica propriamente a proteína BMP6, são diferentes entre as populações marinhas e as de peixes de água doce que recentemente colonizaram estes ambientes. Este fato sugere que a regulação alterada é responsável pelos dentes extras. O gene do BMP6 é expresso em níveis mais elevados em peixes de água doce em relação aos peixes marinhos e esta simples mudança acaba por causar um aumento de expressão da proteína, o que leva a dobrar o número de dentes.

Estes aumentos na atividade da BMP6 ocorrem no final do desenvolvimento da larva do peixe, quando ela já mede quase dois centímetros e meio de comprimento e está na metade do caminho para a vida adulta. O interessante é que, antes deste período, tanto os peixes de água doce como os peixes marinhos têm o mesmo número de dentes. Os esgana-gatas oceânicos, eventualmente, param de adicionar novos dentes durante o seu desenvolvimento, como pode ser visto na imagem à esquerda que mostra a mandíbula superior de um peixe marinho, do Alasca. Já os animais de água doce, em claro contraste, continuam a adicionar novos dentes nas suas mandíbulas à medida que crescem ao longo de todo seu período de vida, conforme a área da placa dentária e a densidade dos dentes vão aumentando.

“Descobrimos que os esgana-gatas de água doce continuam a produzir dentes constantemente e nunca parecem abrandar, ao passo que a forma ancestral deixa de produzir mais dentes”, “Embora os biólogos já saibam há muito tempo que os tubarões e alguns peixes substituem continuamente seus dentes, quase nada se sabia até agora sobre a base genética das mudanças evolutivas nos padrões dos dentes.” afirma Craig [1].

Os espécime selvagens de um lago canadense (à direita) desenvolveram mais de 140 dentes, quase o dobro do que o peixe selvagem do oceano. (Barra de escala é de 1 milímetro). (Imagem Craig Miller) [1]

Assim, segundo os autores do artigo [2], seus resultados, em conjunto, apoiam um modelo no qual a super-ativação tardia de regiões cis-regulatórias, que agem sobre a expressão da BMP6, estaria por trás deste aumento significativo no número de dentes dos esgana-gatas (bentônicos) [2], de água doce, que pertencem a populações derivadas de populações marinhas. Portanto, como explica Craig Miller [1], um dos autores do artigo, os resultados deste estudo, apresentados na revista PNAS [2], sugerem que este gene tem um papel chave na regeneração de órgãos em vertebrados, tendo implicações em como novas formas corporais podem ser produzidas, ao longo da evolução. O que ocorre por meio de modificações regulatórias deste tipo – isto é, que não precisam envolver alterações da proteína codificada pelo gene em si. Isso mostra que, além da perda de estruturas (como o caso da armadura óssea destes mesmos peixes), este tipo de alterações também são responsáveis pelo ganho de estruturas, como é o caso dos dentes extras [2]. Além disso, como existe uma relação entre número de dentes e certas má formações congênitas (como é o caso da fenda palatina em seres humanos) é possível que um equivalente (homólogo) humano do gene BMP6 possa também estar envolvido nestas condições, o que pode nos fornecer mais pistas sobre nossa própria espécie.

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Referências:

  1. Sanders, Robert [Media Relations] ‘Counting fish teeth reveals DNA changes behind rapid evolution‘ UC Berkeley News Center, September 17, 2014

  2. Cleves, P. A., Ellis, N. A., Jimenez, M. T., Nunez, S. M., Schluter, D., Kingsley, D. M., Miller, C. T. Evolved tooth gain in sticklebacks is associated with a cis-regulatory allele of Bmp6. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2014; DOI: 10.1073/pnas.1407567111

Um peixe fora d´agua [video]

Um novo e criativo experimento pode lançar alguma luz sobre os tipos de mudanças que permitiram nadadeiras de vertebrados aquáticos ancestrais evoluírem em patas, como aconteceu com certos tipos de peixes durante o devoniano, dando origem aos tetrápodes. Este vídeo (em inglês) explica o experimento publicado na revista Nature [e alvo de um post recente do evolucionismo: “Andando como um peixe fora d´água”] e o contexto científico em que ele está inserido, ou seja, no estudo dos efeitos da plasticidade do desenvolvimento dos organismos em sua evolução.

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  • Standen, Emily M., Du, Trina Y. & Larsson, Hans C. E. Developmental plasticity and the origin of tetrapods Nature 27 August 2014 doi:10.1038/nature13708

Andando como um peixe fora d´água

Caminhando sob o sol, apoiando-nos em nossos pés e utilizando nossas mãos para limpar o suor do rosto, normalmente, não nos indagamos sobre os percalços que nossos ancestrais mais remotos e nossa linhagem como um todo, passaram para chegar  a este ponto em nossa história. Embora isso possa sugerir que seríamos o pináculo de algum movimento ascendente em direção ao ‘progresso evolutivo‘, tal conclusão não se sustenta a partir de um exame um pouco mais atento das evidências. Nós, seres humanos, como os demais seres vivos, somos uma mistura de caracteres ‘primitivos‘ (ou seja, mais antigos) e ‘derivados‘ (ou seja, mais modernos e que se derivaram dos caracteres mais antigos) [Filogenia Mastigada 1: Princípios de Filogenia e conceitos básicos’, ‘Filogenia Mastigada 2: Polarização de Séries de Transformações e o …’, ‘Filogenia Mastigada 3. Grupos Monofiléticos e Merofiléticos e a fil…’, ‘Filogenia Mastigada 4 : Interpretando uma árvore filogenética – par…‘ e ‘Filogenia Mastigada 5 – Interpretando uma árvore filogenética 2/2’.]. Por exemplo, ao mesmo tempo que mantemos o padrão de cinco dedos (pentadáctilo) ancestral típico dos vertebrados terrestres (Por que cinco dedos? e Contando dedos em aves e dinossauros), as aves sofreram redução neste padrão nos membros posteriores, além de terem passado por uma incrível modificação nos membros anteriores que permitiu que elas voassem, dando origem as asas (“Ladeira acima e morro abaixo”: Pistas para a evolução do vôo nas aves).

Adotamos uma postura bípede que nos permite caminhar sobre os dois membros posteriores (que viraram ‘inferiores’) e libera nossos membros anteriores (que viraram ‘superiores’) para manipular o ambiente com grande destreza e desenvoltura, já que as porções distais dos nossos membros anteriores (autopodes), isto é, nossas mãos, apesar dos cinco dedos tipicamente ancestrais, exibem uma sofisticada capacidade de movimentos e de controle da pressão exercida pro eles, que em outros aspectos é bastante derivada. No entanto, a despeito da postura bípede, mantemos o padrão tetrápode (‘quatro patas‘) ancestral, enquanto outros vertebrados, como as serpentes [Imagem:  Simon Murrell/CULTURA/SCIENCE PHOTO LIBRARY] e os cetáceos, não, tendo passado por reduções, simplificações e até perdas dos membros. Do mesmo modo, apesar de respirarmos ar e sermos relativamente resistentes ao ressecamento, ainda levamos o ambiente aquático ancestral dentro de nós, como toda mulher grávida pode confirmar. Porém, estas constatações não diminuem o enigma envolvido na questão ‘Como chegamos até aqui?‘. Entender como nós e os outros seres vivos chegamos ao estado em que chegamos a partir de estados pregressos diferentes é uma das principais tarefas da biologia evolutiva, o que obviamente traz uma série de desafios e questões, algumas delas que vão além das evidências e consenso da comunidade científica e chegam a como devemos interpretar certos ‘termos’ e ‘conceitos’ ou mesmo em se aceitar algumas constatações mais simples.

Basta refletirmos, por exemplo, sobre como, até hoje, ainda há grande resistência por parte de muita gente em aceitar que, tendo as características que temos e sendo primatas, compartilhamos um ancestral comum com os outros primatas, o que inclui macacos, tarsos e lêmures – o que implica (em um sentido bem real) que ainda somos ‘macacos‘ [Afinal, o homem descende do macaco? (vídeo de David Ayrolla ) e Afinal, viemos ou não viemos dos macacos? Três respostas possíveis.]. Porém, imagine aceitar que os seres humanos nem ao menos deixaram de ser peixes. Sim, nós, seres humanos, como vertebrados tetrápodes, somos um tipo de peixe ósseo (Osteichthyes), pertencendo ao grupo dos sarcopterígeos, que inclui, além dos ‘peixes de nadadeiras lobada‘ (como os peixes-pulmonados e as Latmerias), os ‘peixápodes‘ (Elpistostegalia) e outros tetrápodes mais primitivos. Portanto, compreender como animais de ‘quatro patas’, que respiram ar e andam sob o sol, como nós mesmos, evoluíram a partir de seres aquáticos é um destes grandes desafios.

Apesar de já estar bem estabelecido que descendemos de certos tipos de ‘peixes-tetrápodes‘ ancestrais, semelhantes ao Tiktaalik, Panderichtys etc [além de também temos uma razoável ideia de uma parte da série de modificações do esqueleto apendicular (nadadeiras/patas)], existem mais dúvidas sobre os detalhes de onde, quando e, principalmente, como isso aconteceu. Umas das dificuldades de sondar os processos e mecanismos pelos quais estas etapas da transição se deram é que só temos fósseis dos animais com as características de transição nas quais estamos interessados, aqueles como o Eustenopteron, Glyptolepis, Sauruipteris Panderichthys, Tiktaalik, Acanthostega, Ichthyostega, Tulerpeton etc. Infelizmente, nos dias de hoje, só existem vertebrados tetrápodes bem mais derivados ou descendentes de sarcopterígeos mais antigos (e com características apendiculares bem primitivas), como os peixes-pulmonados e as Latmerias, cujos ancestrais mais diretos separam-se de nossos ancestrais antes da transição de nossos ancestrais ‘peixápodes‘ para os tetrápodes mais primitivos, ou seja, antes da transição da água para a terra. Mesmo assim, os estudos genéticos, anatômicos, biomecânicos, embriológicos nestes animais remanescentes são muito úteis, apesar de terem certas limitações.

A outra alternativa é empregar animais bem mais distantes (e bem mais derivados), mas que evoluíram soluções anatômicas e comportamentais, semelhantes, mas de maneira independente, àquelas dos nossos ancestrais ‘peixápodes‘. A ideia seria a seguinte:  Ao investigar as circunstâncias ecológicas nas quais estes animais vivem e empregam suas habilidades, poderíamos, a partir daí, tentar fazer inferências sobre o tipo de pressões ecológicas que nossos ancestrais poderiam ter sofrido e quais as consequências fisiológicas, anatômicas e biomecânicas estas circunstâncias teriam acarretado sobre eles. O uso de peixes-morcego e do famoso Mudskipper [Imagem: PETER SCOONES/SCIENCE PHOTO LIBRARY] é um exemplo deste tipo de abordagem. Aqui, mais uma vez, nos deparamos com certas limitações. Nestes casos, as limitações são bem óbvias, uma vez que o movimento sobre o chão e as estruturas que estes animais empregam para fazê-lo  são realmente muito diferentes das dos ‘peixápodes‘, ancestrais dos tetrápodes. Felizmente, sempre se pode dar um jeitinho para tentar criar modelos mais próximos ao que desejamos e usar essa variedade de estratégias para balizar umas as outras.

Um exemplo deste ‘jeitinho‘ é maravilhosamente ilustrado pelo trabalho desenvolvido pela pesquisadora (estagiária de pós-doutorado) da Universidade McGill (e agora Universidade de Otawa), no Canadá, Emily M. Standen, que rendeu um fantástico trabalho, publicado na revista Nature algumas semanas atrás. O trabalho foi realizado com a colaboração de outros dois pesquisadores, Trina Y. Du, estudante de Doutorado, e Hans C. E. Larsson. Este último orientador de Standen.

O insight de Emily foi usar um peixe diferente dos já mencionados anteriormente como modelo experimental. Os animais escolhidos foram da espécie Polypterus senegalensis, que, além de conseguirem respirar ar (possuindo pulmões)também podem apoiar-se sobre suas nadadeiras peitorais de modo a conseguirem impulsionar-se por ambientes terrestres, atravessá-los e, desta maneira, alcançar outros corpos d’água. Estas características tornam possível que eles sejam criados  fora d’água, em um ambiente bem úmido, claro, mas, ainda assim, em que fatores como a gravidade tenham um impacto bem maior do que tem debaixo d’ água. Porém, este peixe traz outra grande vantagem. Apesar de ser um peixe de nadadeiras raiadas, portanto, um actinoppterígeo (como o mudskipper e o peixe-morcego), os Polypterus são considerados  actinopterígeos  bem basais, isto é, eles estariam mais próximos à base da árvore deste grupo, tendo seus ancestrais mais diretos divergido bem no começo da história dos peixes de nadadeiras raiadas,  e, desta forma, podem manter características mais próximas àquelas do ancestral comum entre actinopterigeos e sarcopterígeos;  sendo assim, possivelmente, também mais próximas daquelas dos ‘tetrápodes tronco‘ [2] e dos ‘peixápodes’ extintos, que são os grupos nos quais os pesquisadores estão mais interessados. Esta posição na árvore de parentesco dos vertebrados, em particular, os tornaria um modelo mais ‘limpo‘ do que os dos demais actinopterígeos, já que as adaptações locomotórias dos Polypterus teriam ocorrido a partir de estruturas bem mais primitivas e portanto mais antigas.

Mas este estudo não é interessante só por causa do seu modelo, mas também pela pergunta científica que ele busca começar a tentar responder: Qual teria sido o papel da plasticidade fenotípica no desenvolvimento dos animais quando estes enfrentam condições diferentes das que estão normalmente acostumados e qual o possível efeito disso na evolução  [2]?

Mas o que exatamente foi feito neste estudo?

Em primeiro lugar, Standen criou vários espécimens de Polypterus em cativeiro, começando com animais com 149 animais, obtidos de um fornecedor de peixes quando estes animais tinham apenas 2 meses de idade. Ela então manteve 111 destes peixes em um terrário, por períodos de oito meses, fora d´água, enquanto os demais foram mantidos em um aquário, nas condições típicas em que esta espécie de peixe normalmente vive [2]. Após os oito meses foram comparados os esqueletos, os padrões de natação e as habilidades de caminhada destes dois grupos de animais, medindo a plasticidade desenvolvimental anatômica e as características biomecânicas dos corpos destes animais criados em ambiente terrestre e comparando os resultados obtidos com o que foi observado nos peixes da mesma espécie, porém, criados em aquários, em paralelo, como controles [2]. Standen, Du e Larsson puderam observar que as modificações anatômicas e biomecânicas sofridas pelos animais em resposta ao ambiente terrestre guardavam uma notável similaridade com as alterações anatômicas exibidas pelas espécies mais primitivas de tetrápodes, conhecidas através do registro fóssil, oferecendo importantes insights sobre a evolução morfológica e comportamental de nossa linhagem de vertebrados terrestres.


Na figura acima, extraída de [3], vemos uma sequência de caminhar típica de Polypterus em terra, No primeiro quadro, à esquerda, observamos o peixe apoiar-se em sua nadadeira peitoral esquerda, enquanto seu corpo ondula e projeta sua nadadeira direita à frente. Em seguida (em b e c), a cabeça e cauda viram em direção à nadadeira esquerda; e (em d), finalmente, vemos a nadadeira direita apoiada no chão, enquanto a esquerda é levantada [3].

Peixes que andam melhor que os peixes que nadam:

Várias observações importantes foram feitas em relação aos peixes criados em ambiente terrestres. Para começar, estes animais desenvolveram nadadeiras dianteiras quase em linha reta, ao invés de  voltadas para os lados, que é o padrão da linhagem em seu ambiente aquático. Isso permite que as cabeças destes animais sejam levantadas mais alto em relação ao chão, de modo que eles podem colocar mais peso sobre as nadadeiras [1], como descreve a jornalista Elizabeth Penisi em seu blog da revista Science.

Os ossos que suportam as nadadeiras e ligam-nas na parte de trás da cabeça tomaram novas formas. Esses ossos formam a cintura escapular. Um osso, o equivalente ao nosso osso da clavícula que se estende sob o peito, cresceu suportando melhor o peso do corpo. A ligação entre ele e outro osso que vai até a lateral do peixe ficou mais forte, mas que este mesmo osso tornou-se mais fino o que permitiu mais espaço para a cabeça balançar de um lado para outro. O contato entre outro osso peitoral e o crânio também foi diminuído, possibilitando que a cabeça move-se para cima e para baixo. A maioria dos peixes não precisam de tal flexibilidade na cabeça, porque na água eles facilmente mover seus corpos para olhar ou comer em uma direção diferente. [1]

Então o que acontece é que quando estes peixes empurram o chão com suas nadadeiras para darem um passo, elas não escorregam, permitindo que eles deem passos mais rápidos, como mostra o vídeo [1]:

Como explicam os autores do artigo [2]:

“Ao colocar este animal predominantemente aquático em um ambiente obrigatoriamente terrestre, mudamos as forças experimentadas pelo sistema músculo-esquelético do animal. Nós previmos que as forças gravitacionais e de fricção aumentadas experimentadas pelos peixes terrestrializados causaria mudanças na “eficácia” do seu comportamento locomotor quando deslocam-se via terrestre, bem como alterações na forma das estruturas esqueléticas usadas na locomoção. Também previmos que as respostas plásticas da cintura peitoral do Polypterus terrestrializado seria na mesma direção das alterações anatômicas vistas no registro fóssil dos tetrápodes basais.” [2]

Outro fato interessante é que os peixes criados em ambiente terrestre podem nadar quase tão bem como suas contrapartidas aquáticas, sugerindo que não haveriam ‘trade-offs‘ óbvios entre ser um bom nadador e um bom caminhante [3], o que poderia ter facilitado a evolução dos primeiros vertebrados ‘peixápodes’, caso exibissem este nível de plasticidade fenotípica ao se desenvolverem. Além disso, os peixes criados em ambiente terrestres exibiam menos variação no comportamento locomotor, apoiando suas nadadeiras peitorais mais perto de sua linha mediana corporal, conseguindo elevar mais suas cabeças e escorregarem menos suas nadadeiras, o que permite um volteio mais eficaz da parte anterior do corpo apoiada sobre a nadadeira [2]. De acordo com os autores do artigo, tais características melhoram o desempenho durante locomoção em terra.

O que então parece ter acontecido é que essas mudanças no padrão de caminhada dos Polypterus provavelmente afetaram as forças experimentadas pelo esqueleto destes animais, influenciando o crescimento do seu esqueleto e induzindo uma mudança na forma dos ossos. Portanto, a mudança comportamental imediata causa mudanças nas relações físicas entre o organismo e o ambiente que afetam seus processo de desenvolvimento e crescimento.

Com base nestas observações, os pesquisadores previram que mudanças comportamentais semelhantes estariam presentes em tetrápodes mais primitivos. E foi isso que constataram ao examinarem os fósseis destes animais, já que as diferenças na morfologia óssea verificada nos Polypterus terrestrializados‘ são muito parecidas com as mudanças evolutivas na base das cinturas peitorais que ocorreram nos tetrápodes durante o período Devoniano [2], como aquelas identificadas em Eusthenopteron, Acanthostega e Ichthyostega [2].

Na figura ao lado, retirada do artigo [2], podemos conferir um cenário proposto pelos autores para a contribuição da plasticidade desenvolvimental à mudança evolutiva em larga escala nos tetrápodes basais (tronco). À esquerda vemos perspectivas anterodorsolaterais da cintura peitoral dos tetrápodes tronco (considerados mais primitivos) selecionados (A, B, C) ​​e dos peixes Polypterus criados na terra (D) e na água (E). Em seguida são mostradas as mudanças morfológicas associadas a plasticidade devesenvolvimental comparáveis​​: a redução do supracleitro (a), a redução da margem posterior do da câmara do opérculo (b), reforço do contato cleitro-clavicular (c) e o estreitamento e alongamento da clavícula (d). ano, anocleitro; cl, cleitro; cla, clavícula; por, cume pós opercular (note que o cume em Cheirolepis não é diferente, mas é posicionado lateralmente, como é mostrado); scl, supracleitro.

Embora, como lembram alguns pesquisadores que não participaram do estudo [1], atualmente a maioria dos pesquisadores da área defenda que os membros dos tetrápode evoluíram originalmente no contexto da locomoção em ambientes aquáticos (sobre os fundos ou sobre galhos submersos), este estudo mostra a importância da flexibilidade fenotípica, ou seja, da capacidade que os seres vivos têm de responder à mudanças ambientais conforme crescem e desenvolvem-se, o que mostra que não há necessariamente um fenótipo único e pré-programado.

Estes resultados levaram os pesquisadores a indagarem-se sobre quais seriam as implicações destas similaridades na evolução dos tetrápodes, como colocou John Hutchiinson em artigo na Nature, comentando o trabalho de Standen, Du e Larsson:

Será que, durante o período Devoniano (cerca de 360 a 420 milhões de anos atrás), os ancestrais dos ‘peixíbios’ tetrápodes,  que debatiam-se de tempos em tempos sobre a terra, passaram gradualmente de uma anatomia e de comportamentos mais  desenvolvimentalmente flexíveis (como o de Polypeturs) para formas e funções as mais canalizadas dos tetrápodes adaptados à terra?”

A ideia básica é a seguinte: O fato de indivíduos em ambientes diferentes dos seus costumeiros, submetidos portanto a novos estresses ambientais abióticos distintos, poderem expressar fenótipos diferentes pode por si mesmo influenciar indiretamente a evolução adaptativa das populações as quais eles fazem parte. Isso aconteceria por que tais fenótipos diferentes moldariam novas pressões seletivas, uma vez que modificariam a relação entre organismo e o ambiente. Isso por sua vez, poderia, por exemplo, tornar as populações que sofrem estas modificações suscetíveis a assimilação e a acomodação genética (conceitos propostos por Conrad Waddington que foram explorados em maior detalhe nesta reposta aqui de nosso tumblr) [3], principalmente, caso condições ambientais estressantes liberassem variabilidade genética críptica [2]. Desta maneira, eventualmente, estes fenótipos alternativos, inicialmente induzidos ambientalmente (claro, caso vantajosos e na presença de variação genética oportuna), poderiam transformar-se em fenótipos desencadeados geneticamente (sendo expressos de maneira mais estável em uma gama mais ampla de condições ambientais), resultando na abolição da plasticidade anterior e levando a sua eventual fixação destas novas morfologias, comportamentos e formas de deslocamento [1, 2, 3].

Mas é  preciso um pouco de cuidado ao interpretar este modelo evolutivo em particular.  Estas afirmações podem ser facilmente confundidas com o que normalmente as pessoas chamam de ‘Lamarckismo’ (um termo infeliz, por sinal, veja aqui e aqui). É preciso enfatizar que os processos de assimilação e acomodação genética (e fenômenos como o efeito Baldwin) não envolvem a herança de caracteres adquiridos pelo uso e desuso, apenas ressaltam o papel de mudanças anatômicas, fisiológicas e comportamentais individuais (e induzidas por alterações nas relações entre organismo e o ambiente*, mas permitidas pelo genótipo anterior dos organismos) como potenciais iniciadoras de novas pressões seletivas ao revelarem variabilidade herdável antes não visível [Para maiores detalhes veja estas respostas, aquiaquiaquiaqui de nosso tumblr ‘Pergunte ao Evolucionismo‘].

O biólogo e blogueiro PZ Myers, em seu blog Pharyngula, explica em mais de detalhe a ideia que está por trás do experimento:

Os animais [Polypterus] têm uma capacidade intrínseca para a construção de membros mais fortes, que não é visível quando eles são criados de forma contínua em um ambiente aquático, mas quando eles são criados em um ambiente terrestre, eles tendem a reforçar os ossos de um jeito que se assemelha ao dos ‘peixápodos‘ fósseis. Isto não é surpreendente, mais do que seria surpreendente se você crescesse músculos peitorais mais fortes caso tenha forçado-se a fazer flexões todos os dias, o dia todo. Também não é lamarckiano se você malha e ganha músculos


As consequências evolutivas estão nas oportunidades que se abrem para a seleção. Se os peixes mais primitivos tinham uma propensão para a formação de ossos mais robustos em um ambiente terrestre, o que lhes permite viver mais tempo ou serem mais móveis em terra, o ato de viver em terra primeiro cria uma oportunidade para que as variantes que aumentam a mobilidade terrestre operadas pela seleção. Estas variantes seriam invisíveis se os animais sempre vivessem na água, afinal.


Então é por isso que quando falamos de assimilação genética e dizer o fenótipo vem em primeiro lugar, em seguida, surge o genótipo para consolidar a adaptação, não estamos falando de qualquer coisa contrária aos modos darwinianos padrão de seleção. Plasticidade do desenvolvimento cria situações nas quais genes de outra forma invisíveis podem se tornar sujeitos a seleção.”[4]

Portanto, neste modelo evolutivo não é o ambiente que o uso e o desuso que induz mudanças hereditárias, pois elas já existiam como capacidades latentes não reveladas dos organismos que nos ambientes anteriores por causa da maneira como interagiam ao longo do seu desenvolvimento hereditárias não se expressavam. Porém, em um novo contexto ambiental, essas características são então ‘reveladas’ e, caso haja variabilidade genética dentro da população em relação a velocidade, prontidão e quantidade de estímulo necessária a sua expressão, um processo de seleção natural pode ter início caso estes novos fenótipos e, principalmente, expressá-los de maneira mais imediata e independente do ambiente sejam mais vantajosos.

Estas ideias ainda precisam ser melhor investigadas, mas resultados como este, publicados na revista Nature, mostram caminhos possíveis de como tais processos podem ter tido um papel chave na evolução dos animais, evidenciando o papel da Evo-Devo e de estudos experimentais na pesquisa sobre macroevolução.

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*É bom deixar claro três coisas sobre organismos, ambiente e evolução por seleção natural. Primeiro, por ‘ambiente’ entende-se tanto os fatores ‘abióticos (como a gravidade, a água, o ar etc), como os fatores ‘bióticos o que inclui os outros organismos da mesma espécie e de outras espécie com os quais os organismos interagem direta ou indiretamente. Segundo, estes ‘fatores ambientais exercem as chamadas ‘pressões seletivas‘ por meio das relações entre os organismos e seus ambientes. Assim, os demais indivíduos da mesma espécie podem exercer ‘pressão seletiva‘ por meio da competição intraespecífica por recursos, territórios, parceiros etc ou em virtude das capacidades de cooperação ou a possibilidade de cuidado parental que podem aumentar as chances de sobrevivência (e portanto deles deixarem mais descentes) dos indivíduos que cooperam mais, como as chances de sobrevivência dos seus descendentes, comparados com aqueles que cooperam menos ou cuidam menos de seus descendentes. Já os fatores abióticos podem exercer pressão seletiva‘ por  causa da forma como diferentes tipos de indivíduos respondem às mudanças químicas e físicas em seus ambientes, como, por exemplo, àquelas associadas a capacidade de sustentar o próprio peso fora d´água ou de se locomover em terra. Estas mudanças, por sua vez, dependem de como os esqueletos, músculos, cérebros e sistemas perceptuais destes indivíduos são afetados por estas condições. Desta maneira, os indivíduos não são passivamente selecionados por condições ambientais fixas, muito menos são selecionados por agentes conscientes, mas, na verdade, os organismos são ‘corresponsáveis’ por produzir estas pressões seletivas em função da maneira como eles e seus ambientes interagem. Terceiro, as pressões seletivas, além de dependerem das relações organismos-ambiente, para que haja evolução por seleção natural, elas dependem de existirem diferenças nestas relações organismo-ambiente entre os organismos individuais de uma população. Além disso, para que tenham efeitos evolutivos estas diferenças dos fenótipos individuais devem ser (pelo menos em parte) herdáveis, pois só assim elas podem espalhar-se pela população e acumularem-se ao longo das gerações em virtude de seus efeitos no sucesso reprodutivo dos indivíduos que as possuem em detrimento daquele associada aos indivíduos que não as possuem.

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Referências

  1. Pennisi, Elizabeth ‘Fish raised on land give clues to how early animals left the seas Science Magazine News, 27 August 2014

  2. Standen, Emily M., Du, Trina Y. & Larsson, Hans C. E. Developmental plasticity and the origin of tetrapods Nature 27 August 2014 doi:10.1038/nature13708.

  3. Hutchinson, John ‘Evolutionary developmental biology: Dynasty of the plastic fish’  Nature, 2014 doi:10.1038/nature13743

  4. Myers PZ ‘Developmental plasticity is not Lamarckism‘ Pharyngula, 28 of august, 2014

Uma janela para Ediacara

Algumas dezenas de milhões antes da ‘explosão cambriana‘ (veja A Explosão Cambriana: Uma introdução, A explosão cambriana. Parte II: Rápida, mas nem tanto assim!‘ ,’ O ‘pavio filogenético’ e a ‘explosão cambriana’ não se fundem.‘, ‘A Explosão Cambriana’, ‘De volta ao cambriano: Dividindo o evento,’, ‘Conheça os fósseis dos primeiros animais com ‘esqueleto’ (via Revista FAPESP)), os oceanos da terra eram habitados por um grupo de animais bastante diferentes daqueles que estamos acostumados (e dos quais nós mesmos fazemos parte) formando aquilo que se convencionou chamar de ‘biota de Ediacara‘.

Ao lado uma reconstrução dos ramos e ‘folhas’ dos rangeomorfos, um grupo de animais que viveram durante o período Ediacarano (635-541.000.000 anos atrás), feita a partir de modelos matemáticos do crescimento e desenvolvimento destes animais. [Crédito: Jennifer Hoyal Cuthil] [1]

Esta biota representa um marco na evolução da vida multicelular complexa e é entre seus representantes que encontramos os primeiros organismos mais complexos de corpo mole. Entre as criaturas ediacarianas estão esponjas e cnidários, mas também vários grupos considerados ‘problemáticos’, representados tanto por macrofósseis como microfósseis [2]. Embora alguns desses fósseis sejam tradicionalmente considerados como os restos de precursores de animais do Cambriano (e portanto de alguns grupos modernos), outros têm sido encarados como pertencentes a grupos completamente extintos, ‘uma experiência evolutiva que não deu certo‘ pelo menos frente as mudanças de condições ambientais que viriam depois e que teriam sido o gatilho da ‘explosão cambriana‘.

Os Rangeomorfos, que constituem esta parte mais bizarra da biota de Ediacara, viveram há cerca de 575 milhões de anos e seus representantes, em sua maioria, tinham por volta de até 10 cm de altura, com alguns poucos, entretanto, chegando a cerca de de 2 metros. Eles habitavam o fundo dos oceanos deste período e possuíam estruturas ramificadas compostas por partes macias que davam origem outros ramos laterais menores que davam origem a outros ramos ainda menores e assim por diante. Exibiam, portanto, um padrão fractal, isto é, sua organização corporal básica era formada por estruturas semelhantes que tendem a re-ocorrer em várias escalas diferentes. Estas diferenças em relação aos animais ‘modernos’ tornaram muito difícil a determinação de como estes animais do Ediacariano alimentavam-se, cresciam e se reproduziam, o que entre outros problemas torna muito difíceis os esforços de identificação das relações de parentesco destes animais com qualquer outro grupo de animais modernos. Portanto, o parentesco exato destes organismos entre eles e com outros grupos modernos ainda está é bastante incerto, mas muitos pesquisadores concordam que eles exibem uma ampla gama de morfologias, sugerindo pertencerem a diferentes grupos na base da árvore da vida animal, isto é, na filogenia dos metazoários.

Acima estão alguns dos possíveis padrões de relacionamento evolutivo entre os diferentes tipos de animais de Ediacara, que estão na base da árvore de vida animal. As linhas pontilhadas representam o intervalo provável em que viveu um determinado grupo de animais e as linhas sólidas representam a evidência fóssil. Os grupos extintos (taxa) são representados por uma cruz circundada. (Esta figura foi modificado da figura de Xiao e Laflamme, Peterson et al e Dunn et al que está disponível no site do Museu Real de Ontário sobre o folhelho de Burgess Shale) [2].

Agora, um novo estudo publicado por Jennifer Hoyal Cuthil e Simon Conway Morris, apresenta reconstruções tridimensionais construídas a partir de um modelo matemático de 11 táxons deste  grupo que mostram como alguns destes animais deviam crescer e desenvolver-se, fornecendo algumas respostas sobre o porquê eles foram extintos [2]. Essa radiação adaptativa de morfologias fractais que deu origem a essa fauna provavelmente foi possibilitada por que este padrão geométrico maximiza a área de superfície corporal, o que é consistente com o padrão alimentar destes animais que os pesquisadores acreditam ter se dado por meio da absorção de nutrientes por difusão, a osmotrofia [1, 2].

Abaixo um vídeo com uma das reconstruções.


Assim, como defendem os autores do estudo [2], os Rangeomorfos devem ter sido otimamente adaptados às condições prevalentes nos oceanos do Ediacariano, que incluíam a baixa competição e o alto teor de nutrientes dissolvidos naquelas águas. Porém, com a ‘explosão cambriana’ (que ocorreu a partir de 541 milhões de anos atrás, mas que teve seu auge por volta de 530 milhões de anos atrás), as mudanças nas condições ecológicas e geoquímicas acabaram por levar à extinção dos Rangeomorfos que deram lugar aos organismos modernos com seus padrões corporais, metabólicos e modos de vida que estamos familiarizados [3].

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Referências:

  1. How some of the first animals lived – and died, University of Cambridg Research News, 11 Aug 2014.
  2. Enigmatic Ediacarans The Burgess Shale, acessado em 12 de agosto de 2014.
  3. Cuthill, Jennifer F. Hoyal and Conway Morris, Simon Fractal branching organizations of Ediacaran rangeomorph fronds reveal a lost Proterozoic body plan. PNAS, August 11, 2014 DOI: 10.1073/pnas.1408542111

Recontruindo dentes de roedores ancestrais em laboratório.

Cientistas das Universidade de Helsinque e da Universidade Autônoma de Barcelona (além de instituições na Austrália, China e Estados Unidos) conseguiram reproduzir em laboratório certos tipos de alterações morfológicas, que ocorreram ao longo de milhões de anos, na dentição de mamíferos. Eles fizeram isso empregando culturas de células derivadas dos primórdios dentários (explantes dentais) de animais que não expressavam um gene específico – ou seja, que possuíam uma ‘mutação nula’, que é um tipo de mutação de ‘perda de função’. Este gene codifica uma proteína chamada de  ectodisplasina A [EDA, veja ao lado um modelo da proteína: PDB 1rj7] [1], que  faz é parte de uma via de sinalização intercelular importante, estando envolvida nas interações entre o ectoderma e o mesoderma, duas camadas de células embrionárias que ao longo de desenvolvimento dão origem a muitos dos órgãos e tecidos dos vertebrados. Estas interações são particularmente importantes na formação de várias estruturas derivadas do ectoderma como glândulas sudoríparas, cabelo, unhas e dentes.

Ao lado uma micrografia eletrônica de varredura dos molares de um camundngo (Mus musculus). A coroa de cada molar (branco) começa a se desenvolver por volta do 110 de gestação no útero materno, com a raiz começando a crescer a partir da coroa no momento do nascimento. [Crédito: STEVE GSCHMEISSNER/Science Photo Library]

Variando a concentração da proteína EDA (e em certo momento inibindo a ação de uma outra proteína, a SHH, usando um antagonista desta molécula), os pesquisadores obtiveram uma série de padrões dentais, desde os mais simples, até os mais complexos, passando por alguns padrões típicos de espécies de mamíferos já extintas, reconstruindo assim ‘estados de caráter ancestrais‘, para usar o jargão dos biólogos evolutivo [1, 2].

Os pesquisadores observaram que os dentes formam-se com diferentes graus de complexidade em sua coroa. As mudanças mais primitivas observadas coincidem com as que tiveram lugar em animais do período Triássico, cerca de duzentos milhões de anos atrás. O desenvolvimento de padrões mais posteriores coincide com os diferentes estágios de evolução encontrados nos roedores que se extinguiram, já no Paleoceno, cerca de 60 milhões de anos atrás. Os pesquisadores, portanto, conseguiram experimentalmente reproduzir as transições observadas no registro fóssil dos dentes de mamíferos.” [1]

No artigo publicado na revista Nature, a equipe de pesquisadores também comparou seus resultados experimentais aos resultados obtidos com modelos computacionais do desenvolvimento dental, construídos por um dos autores do artigo, Isaac Salazar-Ciudad, da UAB. Estes modelos foram bem sucedidos ao replicar a forma como os dentes mudam ao longo do desenvolvimento, começando como um simples e homogêneo grupo de células até adquirir a complexa e característica estrutura tridimensional de um dente molar; sendo o modelo capaz, inclusive, de prever as mudanças em várias características do dente (como o espaçamento entre as cúspides) quando o gene é alterado.

Esses resultados mostram que muitas das etapas das transições morfológicas observadas nos dentes de mamíferos através do registro fóssil são, de fato, reprodutíveis experimentalmente. Isso também sugere que várias, senão a maioria, das características morfológicas analisadas estão desenvolvimentalmente interligadas [2]. Porém, essas características individuais (como número, tamanho e espaçamento entre as cúspides) ao mesmo tempo parecem responder a diferentes níveis do mesmo sinal molecular [1, 2] de maneira distinta, o que provavelmente permitiu alcançar um padrão de alteração incremental ao longo da evolução.

Acima podemos observar na parte superior da figura (em A) o padrão de culturas de tecido dental (portadores de uma mutação nula para EDA) cultivados conjuntamente com antagonista para a proteína SHH . Ali é mostrado o aumento do número e maior separação das cúspides com o passar dos dias. Logo abaixo, em B, temos a comparação dos segundos molares (produzidos por células que não expressam a proteína EDA) com os segundos molares produzidos quando os mesmos tipos de células recebem o inibidor da proteína SHH [abaixo um modelo da proteína, PDB 1vhh], que exibem uma melhor separação entre as cúspides. Do lado direito, vemos o padrão dental de camundongos sem a mutação nula e, logo abaixo, o padrão de Tribosphenomys minutus no qual faltam cristas que ligam cúspides. Por fim, em C, temos uma visão posterior obliqua dos molares que mostram a ausência da crista metalófida (setas) nas células nulas para Eda, mas que estão presentes nas culturas tratadas com inibidor de SHH, cujo tratamento acaba por replicar a morfologia ancestral de T. minutus. Os dentes de Tribosphenomys mostrados são os primeiros (V10776, à esquerda) e os segundos molares (V10775 holotipo, à direita). Todos os dentes mostrados foram espelhados quando necessário para representarem o lado esquerdo. A região anterior está voltada para a esquerda em A e B e no topo em C. As barras da escala indicam 500 um [1].

Uma das principais dificuldades para entendermos a evolução dos organismos multicelulares, como os animais, é exatamente a interdependência entre características morfológicas que, muitas vezes, interferem substancialmente em nossa compreensão dos processos evolutivos subjacentes e de suas etapas. Contudo, trabalhos em evo-devo (e em biologia computacional) como este permitem compreendermos melhor as bases do desenvolvimento embriológico por trás dessa interdependência entre características morfológicas e ajudam a avançar nossa compreensão das transições evolutivas e de como pequenas modificações genéticas resultaram nas mudanças registradas nos fósseis [1, 2]

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Referências:

  1. Scientists Reproduce Evolutionary Changes by Manipulating Embryonic Development of Mice, Universitat Autònoma de Barcelona, 30 July, 2014.

  2. Harjunmaa, E, Seidel, K, Häkkinen, T, Renvoisé, E, Corfe, I.J., Kallonen, A, Zhang, Zhao-Qun, Evans, A. R., Mikkola, M.L, Salazar-Ciudad, I., Klein, O.D., Jernvall, J. Replaying evolutionary transitions from the dental fossil record. Nature, 2014; DOI: 10.1038/nature13613

Comportamento, acaso, genética e desenho experimental.

Embora haja um consenso de que ambos os fatores genéticos e ambientais sejam essenciais na construção dos fenótipos dos seres vivos e isso inclua a dimensão comportamental, neste último caso ainda existe uma certa polarização de opiniões entre os especialistas ao colocar mais ou menos ênfase em cada um destes fatores, ou seja, naqueles associados a componentes genéticos (em geral, ligados a variação genética entre indivíduos dentro da mesma espécie) e ambientais, principalmente o aprendizado social e/ou por tentativa e erro; ainda que ambos interajam de maneira bem complicada, o que muitas vezes inviabiliza uma separação na prática de ambos componentes [Veja mais sobre isso nesta resposta de nosso tumblr].

[Ao lado Andorinhas de penhasco que reproduzem em colônias de tamanho variável. Foto: Ken Thomas]

Exatamente por causa desta complexa interação entre fatores ambientais/culturais e genéticos, faz-se necessário, além de muito cuidado ao apresentar as conclusões, projetar experimentos que consigam destrinchar as diferentes contribuições de cada um dos componentes, controlando para variáveis confundidoras e outros potenciais artefatos, de modo que conclusões mais firmes sobre a importância relativa dos fatores estudados possam ser obtidas. Porém, existe uma série de armadilhas e problemas que podem acometer mesmo os estudos experimentais mais bem delineados que visam resolver estas questões.

Um exemplo recente das armadilhas sutis que podem estar a espreita dos pesquisadores é dado por um experimento publicado em 2000 que tornou-se um clássico na literatura cientifica moderna da evolução do comportamento animal. Este estudo parecia ter fornecido evidências contundentes de que uma escolha comportamental em particular (se indivíduos de uma espécie de andorinha escolheriam pequenas ou grandes colônias) seria, em grande parte, determinada geneticamente.

Porém, antes de compreendermos a importância do estudo e de sua potencial conclusão, precisamos de um pouco mais de contexto. Viver em grandes aglomerações, como cidades, por exemplo, exibem algumas vantagens. Por exemplo, muitas pessoas preferem viver em cidades por causa da maior disponibilidade imediata de infra-estrutura, muita companhia etc [1]. No entanto, muitas outras pessoas, quando lhes é possível, evitam viver nas cidades, fazendo isso em função dos benefícios da vida no campo, tais como o ar mais limpo, mais espaço, menor violência etc. Algo semelhante ocorre com muitas espécies de animais, especialmente de aves, que enfrentam o mesmo dilema, ou seja, entre viver em grandes grupos ou permanecer em grupos menores, evitando assim as desvantagens de colônias maiores, como o aumento do risco de doenças e da agressividade dos vizinhos. Uma questão importante portanto é o que faz com que diferentes indivíduos de uma mesma espécie façam as escolhas que fazem? Existiria um componente genético possivelmente adaptativo por trás destas escolhas ou elas seriam guiadas por fatores comportamentais aprendidos ou será que as escolhas seriam completamente aleatórias? Para responder esta questão Charles e Mary Brown planejaram um impressionante e trabalhoso experimento que, como mencionado, pareceu ter dado uma resposta clara e precisa para estas perguntas[1].

Os Browns trabalham com andorinhas-de-penhasco (Petrochelidon pyrrhonota), uma espécie de andorinha americana que produz colônias que variam em tamanho. A ideia por trás da hipótese que eles testaram é que alguns indivíduos parecem ser mais resistentes a parasitas de ninho e estes poderiam se reproduzir em maior proporção em colônias maiores infestadas de parasitas, nas quais poderiam alcançar eficiência de forrageamento mais elevada, ao seguirem seus muitos vizinhos coabitantes aos enxames de insetos dos quais se alimentam, sem ter que arcar com os custos a sua saúde. Caso esta maior resistência fosse herdável, os indivíduos mesmo nascidos em colônias de tamanhos diferentes procurariam as colônias com tamanhos apropriados a seu grau de tolerância imunológica, isto é, com os animais mais resistentes escolhendo as colônias maiores e os menos as colônias menores. Isto é, seria esperado que os tamanhos de colônias fossem também herdáveis.

herdabilidade é definida como a proporção da variação fenotípica que é transmitida geneticamente a prole, mas medir ou melhor estimar a herdabilidade de populações naturais in locus é uma tarefa desafiadora, especialmente por que as restrições sobre os indivíduos que os levam a fazer as melhores escolhas criam variabilidade consideravelmente maior do que aquela observada em outras características, como, por exemplo, as morfológicas [2]. Como Brown e Brown haviam relatado estimativas da herdabilidade excepcionalmente elevadas para as preferências individuais para colônias de tamanhos específicos, estes pesquisadores propuseram que a variação no tamanho das colônias seria mantida por uma predisposição genética das aves em fase de procriação a escolherem colônias de tamanhos semelhantes àqueles que foram escolhidos pelos seus pais. Esta ideia foi apoiada pelas regressões entre pais e prole altamente significativas em relação aos (‘ranks’) tamanhos das colônias, o que sugere que a escolha tamanho da colônia é hereditária [1, 2]. Para excluir a possibilidade de que estes resultados pudessem ser explicados por fatores não-genéticos, como imprinting social inicial, Brown e Brown realizaram um experimento de ‘adoção cruzada’ parcial em que metade dos filhotes de ninhadas de pequenas colônias foram transferidas para grandes colônias, e vice-versa [2]. Os cientistas efetuaram transferências (adoções) cruzadas com 2.000 filhotes, posteriormente recapturando mais de 700 dos pássaros quando eles voltaram para reproduzirem-se nos anos seguintes [1].

A ideia é que os animais adultos seriam capazes de escolher as colônias ‘corretas’, ou seja, aquelas dos quais seus ovos haviam sido retirados e as quais em tese estariam mais adaptados. Os autores descobriram que as duas populações apresentaram regressões positivas significativas para as colônias natais e regressões negativas para as colônias em que os indivíduos foram criados [2]. Isto quer dizer os dados mostravam que as andorinhas cujos ovos haviam sido postos nas colônias maiores (mas que havia chocado e sido criadas em outras menores) escolhiam reproduzirem-se em grandes colônias, enquanto que o inverso era verdade para andorinhas nascidas e criadas em pequenas colônias. Em outras palavras, a escolha das aves parecia não depender de onde elas haviam sido criadas e sim de onde haviam se originado e presumivelmente, determinada em boa parte por fatores genéticos que eram diferentes em cada um dos dois tipos de indivíduos [1].

Mas será mesmo? Embora, a um primeiro exame, a conclusão pareça apropriada, existem vários problemas e dificuldades, um dos quais é ‘Como um componente genético de escolha do tamanho do grupo teria sido selecionado e mantido ao longo da evolução? [1]

Apesar das explicações por seleção natural terem um papel fundamental na moderna biologia evolutiva e nos ajudarem a explicar o aparente ‘design’ da natureza (o, por vezes, muito fino ajuste entre os organismos e seu meio-ambiente) de maneira científica, este tipo de explicação envolve custos altos às populações, já que para que certos tipos de indivíduos aumentem em proporção outros precisam perecer, o que pode reduzir por demais as populações, além do fato de existirem pressões seletivas múltiplas e por vezes conflitantes que podem piorar a situação. Portanto, tais explicações devem ser aceitas quando existirem várias linhas de evidência que as sustentem e, de preferência, após testes explícitos de explicações evolutivas alternativas como as baseadas no acaso, restrições e na simples história evolutiva precedente. Porém, mesmo assim a ideia de que os indivíduos são capazes de escolher o mesmo tipo de colônias de que seus pais parece realmente sugerir um forte componente genético por trás desta escolha. Mas será? A questão é que alta plasticidade dos comportamentos – por exemplo quando comparados a das características morfológica torna improvável uma alta herdabilidade das características comportamentais. Além disso, a chamada seleção de habitat é fortemente influenciada pela distribuição espacial dos locais de reprodução disponíveis, com estudos anteriores tendo enfatizado que as estimativas de herdabilidade de características comportamentais que envolvem a movimentação dos animais através das distâncias podem ser grandemente inflacionadas quando não são é considerado que diferentes indivíduos têm diferentes conjuntos de possível movimentos [2]. Tendo em vista estas questões pesquisadores da França e Áustria reexaminam os dados publicados pelos Brown e mostraram que os resultados poderiam ser explicados simplesmente pela escolha aleatória dos tamanhos das colônias. Os resultados forma publicados na revista Scientific Reports [2].

O delineamento do experimento original – que representa um modelo para uma vasta gama de estudos de herdabilidade do comportamento – contém duas armadilhas que se combinam para minar as conclusões.” [1]

Étienne Danchin, da Universidade de Toulouse, e Richard Wagner, da Universidade de Medicina Veterinária e do Instituto Konrad Lorenz de Etologia, em Vetmeduni, Viena, questionaram se os resultados não poderiam ter sido influenciados demais pelo delineamento experimental, sendo portanto mais um artefato do que uma conclusão que refletia realmente o que estaria ocorrendo. Juntamente com Éric Wajnberg, especialista em modelagem no INRA, em Sophia Antipolis, eles simularam os dados do artigo original e descobriram que os resultados poderiam ser gerados pelo acaso [1, 2], tendo em vista as limitações do delineamento usado. .

O problema decorre em grande parte da falácia conhecida como “regressão à média” (“Regression To the Mean” -RTM), que foi identificada pela primeira vez por Sir Francis Galton, primo de Charles Darwin, no século XIX, e um dos fundadores da análise estatística moderna. A “regressão à média” resulta do fato de que as medições com valores extremos (muito grandes ou muito pequenos) tendem a serem seguidas por medidas mais normais simplesmente porque os valores normais são, por definição, muito mais comuns do que os mais extremos. Este fato é importante por que o tipo de metologia para a estimativa da herdabilidade usada pelos Brown, a regressão das variáveis entre pais e filhos, são especialmente suscetíveis a “regressão à média“[2].

No experimento realizado pelos Brown, quando os indivíduos eram transferidos de pequenas para grandes colônias eles, em média, eram recrutados para colônias que são estatisticamente menores do que sua colônia adotiva, porque estas estão mais perto do tamanho médio de colônias, e vice-versa. Mas este não foi o único problema do delineamento do estudo original. Danchin e Wagner, de fato, encontraram um segundo problema, a chamada “falácia espacial” que foi descrita pela primeira vez por Arie van Noorwijk, em 1984 [1]. Este problema acontece quando o conjunto de locais potenciais de dispersão difere entre os indivíduos de acordo com local em que eles nasceram. Em conjunto, as duas falácias podem explicar os resultados do experimento, mesmo na ausência de um componente hereditário na escolha do tamanho da colônia por parte dos indivíduos [1, 2].

Um questão de design:

O artigo de Danchin, Wajnber e Wagner [2] é importante por dois motivos principais. Em primeiro lugar, ao colocarem as conclusões originais alcançadas pelos autores do estudo em questão, isso deve incentivar os cientistas a repensarem o papel dos fatores genéticos em certas decisões comportamentais. Em segundo lugar, o artigo seve como um alerta claro para todos aqueles que trabalham em ciência do comportamento em relação a necessidade mais cuidado no planejamento de estudos[1].

Como Wagner diz: “O maior choque é que muito do design experimental que é amplamente utilizado para controlar todos os efeitos estranhos na verdade, cria a falácia RTM. Mesmo os estudos mais cuidadosamente desenhados podem sofrer com o problema, tornando os seus resultados inválidos.” [1]

O artigo dos cientistas europeus, porém, não oferece só criticas ao delineamento experimental adotado pelo estudo de Brown e Brown e outros (o que já seria muito importante devido a necessidade das ciências de escrutínio crítico constante), mas nele os cientistas também propuseram uma maneira de evitar as duas armadilhas, por meio da restrição das comparações aos indivíduos com o mesmo conjunto de opções (no caso presente, transferindo toda a descendência para uma única colônia), o que pode dar origem a dados que são imunes às duas falácias, permitindo conclusões mais robustas e confiáveis [1].

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Referência:

  1. The importance of (experimental) design Press Release University of Veterinary Medicine, Viena, February 25th, 2014.

  2. Danchin, Étienne, Wajnberg, Éric and Wagner, Richard H. Avoiding pitfalls in estimating heritability with the common options approach. Scientific Reports, 2014 DOI: 10.1038/srep03974

Evolução do ciclo reprodutivo multicelular: Lições da evolução experimental!

Embora a biologia evolutiva seja claramente uma ciência histórica – com muitos dos padrões, processos e mecanismos evolutivos sendo inferidos por meio da análise de evidências morfológicas, moleculares comparativas e da análise do registro fóssil, empregando uma série de métodos e estratégias analíticas e estatístico-computacionais – ela também é uma disciplina orientada experimentalmente.

Infelizmente, também é muito pouco  conhecido que o emprego de métodos experimentais não restringe-se aos estudos da microevolução, ou seja, aqueles que visam a compreensão exclusiva da dinâmica genética e adaptativa intraespecífica. Existem estratégias experimentais que nos permitem investigar o processo de especiação e mesmo processos e mecanismos associados a padrões macroevolutivos bem mais amplos, como a transição entre o modo de vida unicelular para o multicelular.

Ao longo das décadas, os biólogos evolutivos vêm questionando-se sobre como a multicelularidade teria evoluído, não só uma, mas várias vezes ao longo da evolução dos eucariontes. Esta questão crucial pois foi por meio desta transição para multicelularidade que organismos de maiores dimensões e de maior complexidade puderam evoluir [1, 2].

Neste campo as abordagens experimentais são bem disseminadas e muitos estudos como aqueles realizados algas volvocíneas, com fungos unicelulares, como leveduras, e mesmo bactérias, têm sido levados à cabo e ajudado lançar luz sobre uma série de assuntos relacionados a evolução dos seres multicelulares.

Este capítulo da história evolutiva dos seres vivos criou oportunidades para os sistemas biológicos mais complexos evoluírem, modificando fundamentalmente o que constitui ‘um indivíduo’, algo que antes era sinônimo equivalente de organismo unicelular, mas que, a partir desta transição, passou a também referir-se a sistemas de agregados coesos de várias células, o que inclusive envolveu uma mudança do nível da seleção natural [2].

Esta transição destaca-se, principalmente, quando comparada a outras transições que ocorreram apenas uma vez na história evolutiva (como, por exemplo, o caso da origem de eucariontes), pois a multicelularidade evoluiu repetidamente várias vezes, como exemplificado pelo caso das cianobactérias filamentosas que evoluíram um tipo de multicelularidade simples cerca de 2.5 bilhões de anos atrás, e por outros grupos taxonômicos de organismos multicelulares que surgiram nos últimos 200 milhões de anos, como as algas marrons e as da família Volvocaceae de algas, evoluíram esta condição várias vezes, além, claro, das plantas, fungos e animais [2]

Um dos tópicos que mais intriga os pesquisadores neste campo da investigação científica diz respeito a como teriam evoluído os processos ontogenéticos característicos dos seres multicelulares nos quais células individuais, gametas e zigotos, fazem parte da fase inicial de cada ciclo reprodutivo [1].

Agora, um novo estudo [2], publicado na revista Nature Communications,  mostra mais uma vez a importância do emprego da abordagem experimental em estudos sobre questões evolutivas deste porte e o tipo de respostas que eles podem nos fornecer [2]. Um grupo de pesquisadores liderados por William Ratcliff, pós-doutorando da Universidade de Minnesota, sob a supervisão do professor associado Michael Travisano, revelou pistas importantes sobre a evolução dos ciclos de vida nos quais os organismos alternam entre fazes uni e pluricelulares, o que fizeram ao aplicar a abordagem da evolução experimental de mod a transformar uma alga unicelular em um organismo multicelular que se reproduz dispersando células individuais [1].

“Compreender as origens da complexidade biológica é um dos maiores desafios da ciência”, disse Travisano o autor sênio do artigo [1].

O pesquisadores, William C. Ratcliff, Matthew D. Herron, Kathryn Howell, Jennifer T. Pentz, Frank Rosenzweig e Michael Travisano, submeteram populações da alga Chlamydomonas reinhardtii a condições que favorecem a multicelularidade, obtendo como resultado a evolução de um ciclo de vida multicelular em que aglomerados compostos de várias células reproduzem-se por meio de células únicas móveis [2].

Há alguns anos, Travisano e Ratcliff já haviam ganhado as machetes dos sites e de revistas de divulgação científica ao terem evoluído sistemas multicelulares a partir de leveduras (fungos unicelulares) empregando um modelo de seleção artificial semelhante ao empregado neste novo trabalho, por meio da sedimentação/assentamento preferencial. Este estudo anterior já foi alvo de postagens anteriores (Evolução da multicelularidade em laboratório” e “Evolução da multicelularidade em laboratório II) e é magnificamente resumido em um vídeo do próprio grupo de cientistas disponível neste site.

Com este novo estudo, entretanto, eles ampliam seu modelo anterior, desta vez usando a alga Chlamydomonas reinhardtii, conseguindo mostrar que a complexidade multicelular, incluindo o desenvolvimento a partir de uma única célula, pode evoluir de maneira muito rápida e, o mais importante, em um tipo de organismo unicelular que apesar de ser aparentado com as algas da família volvocidea, nunca teve um ancestral multicelular, refutando uma crítica comum ao estudos feitos anteriormente com leveduras (ou com outros eucariontes unicelulares de linhagens descendentes de organismos multicelulares) de que o processo teria sido uma mera reversão de potencial latente [1, 2].

Os cientistas cultivaram algas da espécie Chlamydomonas reinhardtii por várias gerações, a cada geração, selecionaram àquelas que assentavam-se mais rapidamente no fundo em um tubo de ensaio cheio de líquido.  

Na 46a rodada de transferências, os pesquisadores começaram a observar de maneira mais nítida que em uma das populações submetidas ao experimento de seleção, agregados multicelulares assentava-se no fundo dos tubos de forma mais rápida do que o que ocorria nas outras 19 populações; sendo que, na 73a rodada, a diferença na velocidade de assentamento era facilmente perceptível (veja a figura abaixo). Durante o experimento pôde ser constatado que os agregados multicelulares resultantes eram mantidos juntos por uma matriz extracelular transparente, como pode ser visto em b, podendo conter centenas de células. Os cientistas também foram capazes de seguiram o crescimento de um pequeno agregado no meio líquido por meio da microscopia de lapso temporal, durante 24 horas [2].

O mais importante, entretanto, é que os agregados desenvolveram-se clonalmente por meio de células-filhas únicas, cujas células descendentes “ficavam juntas” após a mitose, como pode ser visto em e e não através da agregação de células individuais que coabitam a mesma câmara de crescimento [2].

Acima em (a) observamos os agregados multicelulares de C. reinhardtii (à esquerda) assentarem mais rapidamente do que a população contemporânea que passou pela seleção por assentamento , mas que permaneceu unicelular (à direita), formando pelotas depois de 20 min de sedimentação (as culturas mostradas têm 72 h de idade). Em (b) as células são mantidas ligadas umas as outras por uma matriz extracelular transparente, indicada pelas setas. Em (c) propágulos móveis desprendem-se dos aglomerados multicelulares (imagem de microscopia de contraste de fase); em (d) está mostrada a forma de crescimento unicelular ancestral. Os autores chamam a atenção que c e d são fenotipicamente idênticas. Em (e) podem ser observadas a formação de agregado a partir de uma única célula, o que ocorre por que elas permanecem unidas após reprodução mitótica. Todas as barras de escala são 25 um [Nature Communications 4: 2742; doi:10.1038/ncomms3742].

Esses agregados multicelulares reproduzem-se, como observado por Ratcliff e Travisano, partindo-se ativamente, liberando células individuais móveis que passam a ser multiplicar formado novos agregados multicelulares [1]. Um ponto enfatizado pelos autores do estudo é que, apesar deste gargalo genético de reprodução por meio de uma única célula durante a ontogenia ser amplamente considerado como uma adaptação para limitação do conflito entre células, seu surgimento muito rápido, nesta transição experimental, sugere que não evoluíram sob este tipo de pressão, ou seja, redução do conflito genético:

Até agora os biólogos têm pressuposto que esse gargalo de uma única célula evoluiu bem após multicelularidade, como um mecanismo para reduzir os conflitos de interesse entre as células que compõem o organismo, afirma Ratcliff.[1]

Em vez disso, descobrimos que ela surgiu ao mesmo tempo que multicelularidade. Isso tem grandes implicações na forma como a complexidade multicelular pode surgir na natureza, porque mostra que essa característica chave que abre a porta à evolução maior complexidade, pode evoluir rapidamente., completou o pesquisador. [1]

Isso quer dizer que, em contraste ao anteriormente presumido, os propágulos unicelulares são adaptativos (ou seja, conferem vantagens) mesmo na ausência de conflito intercelular. Como já comentado, tradicionalmente os biólogos evolutivos acreditavam que esta fase unicelular no ciclo de vida de organismos celulares teria evoluído apenas secundariamente, como forma de minimizar as diferenças intragrupais, ou seja, com o processo de reprodução tendo que passar por um gargalo genético de uma única célula (fazendo que todas as células descendentes fosse geneticamente idênticas), resultando na ausência de ‘conflito genético de interesses’ entre as diversas células do agregado, uma vez que estas seriam basicamente clones umas das outras. Contudo, a evolução tão rápida deste modo de reprodução sugeriu aos pesquisadores que uma resposta mais simples e mais geral deveria poder explicar este fenômeno.

Eles desenvolveram, então, um modelo matemático que mostra que este modo de reprodução (passando por uma única célula) seria mais vantajoso do que as alternativas hipotéticas em que os propágulos seriam formados por mais células [1]. O modelo desenvolvido pelos cientistas previa que, a longo prazo, a reprodução por meio de células individuais seria mais bem sucedida mesmo que cada célula individual tivesse, a princípio, menos chances de sobreviverem do que propágulos maiores. O seu maior número mais do que compensaria a maior chance de não sobrevivência individual, maximizando assim a fecundidade dos aglomerados [2].

Assim, de acordo com os pesquisadores, seus resultados mostram que o gargalo unicelular, uma característica essencial para a evolução de complexidade multicelular, pode surgir rapidamente através da co-opção da forma unicelular ancestral para fins de maximização da fecundidade direta [2]. Não há necessidade disso ocorrer mais tarde secundariamente, como forma de resolver conflitos genéticos intra-grupais.

Na figura ao lado [Nature Communications 4: 2742; doi:10.1038/ncomms3742] é mostrado a evolução do ciclo celular de C. reinhardtii. Nela podemos observar que pouco depois da seleção para assentamento e transferência para um novo meio de cultura, propágulos unicelulares móveis dispersam-se para longe do agregado principal, perdendo, então, sua mobilidade e desenvolvendo-se em grupos antes que ocorra a próxima rodada de seleção por sedimentação. Em (b) podem ser vistos os resultados do modelo que prevê que os agregados menores devem experimentar sobrevivência reduzida, até um tamanho de cerca 70 células (sobrevivência é garantida por grupos maiores). Em (c) são mostrados o número de descendentes sobreviventes de um aglomerado de 64 células que foi ajustado para reproduzir como uma função do tamanho dos propágulos e do número de duplicações a que os propágulos são submetidos antes da seleção por assentamento (em azul escuro: 1, em vermelho: 2, em verde: 3 , em roxo: 4, em azul claro: 5, em laranja: 6). Apesar da redução da sobrevivência de grupos menores durante seleção por assentamento, propágulos unicelulares maximizam o número de descendentes sobreviventes que um agregado pode produzir [2].

Uma inversão de expectativas e um bônus ‘pré-adaptativo’:

É importante enfatizar que, uma vez evoluído o gargalo de uma única célula, a variação genética automaticamente passa a ser eficientemente segregada entre indivíduos multicelulares, limitando a possibilidade de conflito genético que poderia surgir em virtude da diversidade genética intra-agregados. O bônus desta situação é que, ao reduzir-se a possibilidade de conflito, a evolução das características normalmente sensíveis à exploração social (por exemplo, divisão celular de trabalho) passa a ser favorecida [2]. Este gargalo unicelular, portanto, garante que todas as células que constituem um único indivíduo multicelular compartilham ‘um mesmo meio ambiente e uma história de desenvolvimento comum’ [2].

A partir destas considerações, os autores do estudo propõem que os seres multicelulares que reproduzem-se  por meio de uma fase unicelular, ao invés de terem evoluído esta característica inicialmente em virtude da pressão pela minimização de conflitos genéticos, teriam evoluído bem precocemente o gargalo genético unicelular como uma adaptação para maximizar o sucesso reprodutivo direto, porém, esta característica teve como subproduto a criação de linhagens ‘pré-adaptadas’ para a resolução de conflitos intercelulares intragrupais, ou seja, surgindo como um efeito colateral fortuito [2]. De acordo, com os autores esses fatores  teriam facilitado a transição da seleção ao nível unicelular para o nível multicelular e, desta maneira, teriam permitido a evolução subsequente de complexidade multicelular [2].

Infelizmente, conhecemos muito pouco sobre a origem desses gargalos reprodutivos envolvendo uma única célula em grupos taxonômicos não-extintos. Daí a importância de estudos como este que mostram, claramente, como um gargalo unicelular deste tipo pode evoluir já logo durante as primeiras fases de uma transição evolutiva como essa, conferindo vantagens diretas, mesmo na ausência de conflitos genéticos, maximizando o sucesso reprodutivo do indivíduo multicelular nascente.

Os pesquisadores responsáveis pelo estudo esperam, por meio de uma colaboração já em andamento com outros pesquisadores (Matthew Herron e Frank Rosenzweig, da Universidade de Montana), descobrir quais genes estão por trás desta transição para multicelularidade, além de pretenderem se valer desta mesma abordagem de evolução experimental para tentarem produzir ainda maior complexidade multicelular [1].

“Neste experimento temos reordenadas um dos primeiros passos para a origem da multicelularidade mostrando que dois passos evolutivos importantes podem ocorrer muito mais rapidamente do que o previsto anteriormente. Olhando para a frente, esperamos investigar diretamente as origens da complexidade do desenvolvimento, ou como jovens se tornarem adultos, usando os organismos multicelulares que evoluíram no laboratório.” disse Travisano [1]

Estes resultados somam-se ao dos, já mencionados, trabalhos anteriores e, de acordo com a equipe de cientistas, indicam que a complexidade multicelular pode evoluir mais rapidamente do que pensávamos anteriormente [2], um resultado por si só notável e que sugere uma reorientação da questão:

Então por que não teria ocorrido ainda mais vezes ao longo da história evolutiva da vida em nosso planeta?

Estamos longe de ter uma compreensão realmente satisfatória dessas transições, mas estudos como os de Ratcliff, Travisano e seus vários colaboradores mostram como modelos experimentais podem ajudar muito neste empreitada, iluminando etapas extremamente importantes das grandes transições macroevolutivas. 

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Referências:

  1. U of M scientists solve major piece in the origin of biological complexity U M News 1º de janeiro de 2003.

  2. Ratcliff, William C., Herron, Matthew D., Howell, Kathryn, Pentz, Jennifer T., Rosenzweig, Frank, Travisano, Michael. Experimental evolution of an alternating uni- and multicellular life cycle in Chlamydomonas reinhardtii. Nature Communications, 2013; 4 DOI: 10.1038/ncomms3742


Parabéns pelos 25 anos do experimento de evolução em longo prazo de Richard Lenski

Antes que o ano termine, nós do evolucionismo.org, precisamos lembrar que, em 2013, comemoramos* os 25 anos (em 24 de fevereiro) de um dos mais duradouros e impressionantes experimentos contínuos das ciências biológicas.

A revista Science em 15 de novembro deste anos publicou um artigo da jornalista Elizabeth Pennisi intitulado “O homem que engarrafou a evolução” [1] no qual a história deste experimento (que continua até os dias de hoje) e de seu idealizador é contada.

Em 1988, Richard Lenski, pesquisador da Universidade Estadual de Michigan, colocou em prática uma ideia simples, mas radical, que permitira a ele e seu grupo de pesquisadores estudarem a evolução biológica de uma maneira ainda não testemunhada, muito mais precisa [1].

experimento começou com 12 populações idênticas da bactéria Escherichia coli que foram acondicionadas em frascos com meios de cultura contendo 25 mg de glucose por litro. Os pesquisadores do laboratório de Lenski, assistiam-nas proliferando diariamente, e a cada 24 horas, as bactérias sob constante agitação constante e mantidas a uma temperatura de 37 ° C, multiplicam de explosivamente, esgotando a glicose, quando 1% delas eram transferidas para um novo frasco com novo suprimento de glicose [1].

A cada 75 dias, ou seja, mais ou menos a cada 500 gerações, algumas das bactérias eram retiradas de seus frascos de crescimento, sendo então congeladas em freezeres para futuros estudos comparativos (e como reservas, caso os experimentos fossem contaminados) entre estágios mais novos e antigos da evolução dessas populações, o que permitiria também tentar replicar qualquer resultado em particular, repetindo o experimentos a partir de uma das amostras da população ancestral. Este protocolo de cultura microbiológica continuou dia após dia praticamente sem ser interrompido, com as culturas sendo congeladas temporariamente durante uma pausa de inverno, quando o campus estava deserto e quando Lenski mudou seu laboratório da Califórnia para Michigan. Vinte e cinco anos mais tarde já testemunhamos 58 mil gerações, o seria mais ou menos equivalente a um milhão de anos de evolução humana, ajustando para os tempos geracionais de nossa espécie. [Acima e a direita temos o viajante do tempo, Richard Lenski, que para voltar o relógio da evolução, Richard Lenski mergulha em seu freezer: Crédito da Imagem: G. L. Kohuth/Michigan Sttate University (2009) via Pennisi (2013) [1]]

Os experimentos de evolução de longa duração de Richard Lenski:

Fontes do dados: Richard Lenski via Pennisi, 2013 [1].

Doze populações de bactérias, replicando e evoluindo por 25 anos, produziram alguns números bem grandes. As 12 populações de bactérias originalmente idênticas umas as outras, agora, são todas diferentes. Passaram-se 58000 gerações, sendo a cada dia observam-se 6,6 gerações. Em total estimado de aproximadamente 1014 bactérias. São empregados mais de 4000 frascos que mantem os ancestrais e as evoluídas e foram gastos dez mil litros de meio de cultura líquido. O custo do experimento é em 4 milhões de dólares. O envolvimento de trabalho em conjunto das pessoas equivale a 75 anos. Passaram pelo experimento 30 estudantes de doutorado e pós-doutorados e estão envolvidos nele 40 colaboradores externos. Até agora o experimento rendeu mais de 50 publicações em revistas científicas [1].

Empilhando placas: Zachary Blount usou todas essas placas de petri para estudar como um único frasco de bactérias evoluiu a capacidade de usar o citrato como fonte de energia.


Os mais novos resultados mostram que, ao invés das bactérias chegarem a um “pico de aptidão” e por lá permanecerem, durante toda a duração do experimento, as bactérias continuaram a tornarem-se mais adaptadas. Quando os pesquisadores mediram o quão rápido as bactérias das gerações mais recentes poderiam proliferarem-se em relação aos seus antepassados (descongelados e ressuscitados de sua animação suspensa), eles descobriram que a aptidão das descendentes continuou a aumentar, sem sinais de estabilização, com a aptidão média aumentando, aparentemente, sem limites, de acordo com uma lei de potência [2]. Uma lei de potência é uma relação em que a mudança relativa em uma quantidade implica em uma mudança relativa em uma outra quantidade, de maneira independente ao valor inicial dessas quantidades. Desta maneira, nas leis de potência, uma quantidade (Y) varia de acordo com a potência (expoente) da outra (X), podendo esta relação ser escrita da seguinte forma:

Y=aXk,

 

onde ‘k’ é o expoente (a potência que relaciona a variação das duas quantidades) e ‘a’ é um constante de proporcionalidade.

Como o próprio Lenski explicou em seu blog, a lei de potência prevê a trajetória da evolução da aptidão  de uma maneira bem mais precisa. Por exemplo, caso os pesquisadores reduzam os dados de modo que eles incluam apenas os das primeiras vinte mil gerações, a lei de potência [linha tracejada azul] que se ajusta a estes dados parciais consegue prever com grande precisão qual será a aptidão por volta da geração 50.000, o que não acontece com o modelo assintótico [linha tracejada vermelha] para o mesmo conjunto de dados, uma vez que este consistentemente subestima os futuros aumentos na aptidão [2].

O grupo de Lenski tem, portanto, documentado tanto que a evolução, a longo prazo, pode ser, em certos aspectos, reprodutível (ainda que a contingência seja muito importante, como veremos adiante), como também que ela não ‘cessa’** mesmo em um ambiente estável [5].

De acordo como Pennisi [1], quinze anos atrás, Lenski quase abandonou este fantástico modelo de evolução experimental por modelos de evolução de organismo digitais, como os conduzidos na plataforma AVIDA em colaboração com os grupos de Christoph Adami, Charles Ofria e o filósofo Robert Pennock [3, 4]. As vantagens dos experimentos in silico estão no grau de controle nas intervenções e na precisão das análises que são maiores, mesmo que aqueles permitidos pelo minuciosos e laboriosos experimentos com E. coli. Nestes experimentos com organismos digitais era possível rastrear as mudanças ‘mutação’ a ‘mutação’, geração a geração [1, 3, 4]. Felizmente, Lenski reconsiderou esta decisão e seus resultados provaram-se importantíssimos, levando a descobertas dramáticas [1, 6, 7]. As bactérias ainda guardavam algumas surpresas e seu maior nível de complexidade (em relação aos organismos digitais), ainda que inconveniente do ponto de vista metodológico, oferece perspectivas bem mais amplas. Para nossa sorte ambas as empreitadas continuaram e temos a continuidade dos experimentos in silico e in vivo.

A grande descoberta: As comedoras de citrato entram em ação

Uma manhã, Lenski e seus colegas perceberam que o meio de cultura de um dos frascos contendo bactérias E. coli tinha ficado turvo, um possível sinal de contaminação por outras bactérias. Na ocasião, porém, os cientistas não puderam confirmar esta suspeita. Eles, então, retiraram do freezer e descongelaram a amostra mais recente que havia sido congelada daquela mesma população, chamada de Ara-3, e repetiram o experimento. Três semanas mais tarde, mais uma vez, o frasco estava turvo. Os cientistas, desta vez, começaram a testar exaustivamente a cultura em busca de evidências de contaminação, mas não encontraram qualquer vestígios dessa possibilidade, o que os levou a descartarem esta esta hipótese. Algo diferente estava ocorrendo com esta população em particular [1].

[Evolução em exibição: Uma mutação conduziu a uma expansão da população de uma das 12 culturas, tornando o meio turvo (terceiro frasco a partir da esquerda). Os pesquisadores puderam comparar a aptidão duas das linhagens ao cultivá-las juntas e, em seguida, contando as colônias (em uma placa de petri). Uma das cepas carrega uma mutação que torna suas colônias vermelhas.[1]]

Ao cultivarem as bactérias desta cepa, Ara-3, em diferentes tipos de meios de cultura, os cientistas conseguiram descobrir que as bactérias daqueles frascos haviam evoluído uma nova forma de se alimentar. Elas não dependia mais da glicose e passaram a explorar uma nova fonte de energia diferente, disponível em seu meio, o citrato. E foi isso que permitiu as bactérias desses frascos (as variantes Cit+)  atingirem densidades populacionais muito mais elevadas a ponto de os deixarem turvos em períodos de tempo muito menores do que as demais populações conseguiriam.

“Este foi o maior evento em todo o experimento E. coli”, disse Christoph Adami, físico e colaborador de Lenski e coautor como ele do artigo de 2003 com os experimentos in silico com a plataforma AVIDA.

O jornalista Carl Zimmer [6]*** resumiu de maneira excelente as descobertas sobre a evolução da linhagem derivada da população Ara-3 que tornou-se capaz de usar o citrato do meio de cultura em uma artigo do The Loon. É deste artigo e dos artigos originais [5] publicados nas revistas PNAS, em 2008 [5],  e Nature, em 2012 [7], dos quais retirei as informações sobre esta impressionante descoberta.

A evolução das comedoras de citrato:

Ao identificarem a cepa, os cientistas do grupo de Lenski voltaram às suas amostras de bactérias congeladas e compararam a nova cepa com várias amostras das anteriores (literalmente estágios anteriores da evolução) e puderam perceber que por volta da geração 32000, uma das cepas tornara-se capaz de usar o citrato como substrato metabólico na presença de O2, ainda que continuasse dependendo da glicose do meio. Eles continuaram investigando e viram que nos estágios posteriores que levaram a forma capaz de viver sem glicose, os pesquisadores puderam encontrar cepas que eram um pouco melhores em usar o citrato. Além disso, eles puderam sequenciar os genomas dessas diversas cepas compararem-nos com as cepas que não evoluíram a capacidade de usar o citrato no lugar da glicose e com os genomas dos vários estágios intermediários [6, 7].

A figura abaixo mostra uma filogenia da população Ara-3. Os símbolos nas pontas das ramificações referem-se aos 29 clones sequenciados. As áreas sombreadas e símbolos coloridos servem para identificar os principais clados. As frações acima da árvore mostram o número de clones pertencendo ao clado que deu origem ao mutante Cit1 durante os experimentos (numerador) e o total correspondente empregado nos experimentos (denominador). As setas mostram o número de mutações relativas ao ancestral. As linhas contínuas representam a regressão linear dos mínimos quadrados nos genomas ‘não mutadores’, enquanto as linhas tracejadas correspondem a regressão linear dos genomas ‘mutadores’ [7]. As chamadas cepas ‘mutadoras’ são aquelas cuja taxa de mutação é maior do que a taxa normal da população ou espécie, ou seja, nos genomas dessas bactérias, as mutações surgem com maior frequência, o que parece ser devido a mutações particulares, com as que  podem acometer os genes associados aos sistemas de detecção de erros e reparo deles que operam durante a replicação do DNA.

Isso permitiu que os cientistas pudessem detectar o gene que havia sido casualmente duplicado (citT) na cepa ancestral e que havia ficado perto de uma outra região promotora diferente, o que fazia com que ele continuasse ativo em situação em que a versão original não ficava ativa, fazendo aquela cepa capaz de expressar proteínas específicas que serviam como bombas de citrato (o trocando por sucinato) mesmo na presença de oxigênio. Em seguida, a cópia do gene citT, juntamente com o seu promotor que permitia sua expressão na presença de oxigênio, foi novamente duplicada, o que fez com que as bactérias expressassem ainda mais canais da proteína citT em suas membranas e, desta forma, absorvessem mais citrato do meio [6, 7].

Acima esquema ilustrando amplificações contíguas dos genomas Cit1. Em a podemos ver o arranjo ancestral dos genes CitG, CitT, RnA e RnK, já em b podemos observar as mudanças na ordenação especial e relações regulatórias produzidas pela amplificação [7].

Este vento foi seguido por uma terceira duplicação do mesmo gene que, causalmente, melhorou ainda mais a habilidade de bombear citrato para dentro delas, o que foi confirmado quando os pesquisadores descongelaram amostras das cepas de bactérias de gerações anteriores e que tinham apenas uma do gene citT inseriram nelas cópias extras que as fizeram imediatamente melhores na utilização de citrato. Por fim, os cientistas identificaram outras mutações que surgiram durante e após as duplicações seguidas do gene citT que, apesar de algumas incertezas, parecem ter permitido que as bactérias quebrassem as moléculas de citrato de maneira mais eficiente, refinando a capacidade de obtenção de energia a partir desse substrato [6, 7].

Porém, os estudos do grupo de Lenski não pararam por aí, afinal de contas a capacidade do uso do citrato ao invés da glicose na presença de O2 evoluiu apenas uma única vez entre as doze replicatas originais de bactérias e apenas após dezenas de milhares de gerações. Então, para entender o que havia acontecido, os pesquisadores pegaram amostras congeladas de vários períodos anteriores e as submeteram ao mesmo regime de cultivo que havia dado origem a cepa que usava o citrato. Quando eles fizeram isso puderam notar que apenas as cepas após a geração 20000 é que evoluíram de novo esta capacidade. Eles propuseram que antes que a evolução desta capacidade pudesse ocorrer outras mudanças teriam que ter acontecido antes que teriam permitido (‘preparado o terreno’) para a evolução subsequente, mostrando o caráter contingente e oportunista da evolução de certas características biológicas  complexas [5, 6, 7].

Além disso, os pesquisadores elaboraram uma maneira de testar esta hipótese, criando um plasmídeo (um pequeno segmento circular de DNA) cheio de cópias do gene citT junto com a sequência promotora que permitia que as proteínas fossem expressas na presença de O2. Ao inserirem este construto genético em várias amostras de estágios ancestrais da população de bactérias, puderam observar que apenas aquelas cepas mais tardias derivadas de amostras congeladas depois da geração 20000 conseguiam utilizar o citrato de forma equivalente a cepa que evoluíra sozinha esta capacidade, confirmando a ideia que deveriam haver mutações ‘preparatórias’ que permitissem a evolução desta capacidade. Isto quer dizer que mutações que originalmente não tinham nada a ver com a capacidade de interiorizar e metabolizar o citrato tiveram que ocorrer para que alguma cepa posterior pudesse evoluir estas capacidades. Estas mutações originais provavelmente tinham a ver com outros sistemas metabólicos, talvez, simplesmente ajudassem as bactérias a viverem com glicose ou, quem sabe, eram naquelas ocasiões neutras tendo sido fixadas por deriva genética ou pego carona em outras mutações vantajosas [6, 7].


Este é um espetacular exemplo de um modo muito importante de evolução de novas características e de como se dá incorporação de nova informação genética, ou seja, duplicação gênica e cooptação funcional da(s) cópia(s) extra(s) em um contexto distinto e para funções diferentes [6]. Discutimos tais mecanismos em outras oportunidades e devemos, em breve, voltar a fazê-lo em maior detalhe. Veja nosso artigos
A origem de nova informação genética. Parte “I e “A origem de nova informação genética. Parte II

sobre o tema.

Ainda veremos muitos resultados interessantes deste e experimento, além de outros usando a a bordagem da evolução experimental e da evolução de organismos digitais que nos revelarão mais e mais sobre a dinâmica evolutiva e com novos genes, fenótipos e funções evoluem ao longo da evolução. Estes 25 anos precisam ser comemorados como um trinfo da engenhosidade humana  e da nossa contínua busca por conhecimento. Lenski, seus alunos e colaboradores merecem nossas congratulações e que aguardemos entusiasmadamente seus futuros resultados.

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*Agradeço mais uma vez ao professor Fernando Gewandsznajder pela lembrança e sugestão da comemoração.

**É bom deixar claro que este cessar era apenas relativos ao aumento da aptidão e não da mudança evolutiva. O que ocorre é que alguns biólogos evolutivos esperaram que após algum tempo evoluindo em ambientes estáveis, as populações tenderiam a estabilizar sua aptidão em um pico, continuando a mudar apenas por flutuações estocásticas guiadas pela deriva genética, por exemplo.

***Essa descrição já havia sido postada na internet como um comentário meu a uma postagem do FaceBook.

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Referências:

  1. Pennisi E. The man who bottled evolution. Science. 2013 Nov 15;342(6160):790-3. doi: 10.1126/science.342.6160.790.

  2. Wiser MJ, Ribeck N, Lenski RE. Long-Term Dynamics of Adaptation in Asexual Populations. Science. 2013 Nov 18. [Epub ahead of print] PubMed PMID: 24231808.

  3. Lenski, R. E., C. Ofria, R. T. Pennock, and C. Adami. 2003. The evolutionary origin of complex features. Nature 423:139-144. (Nature)(PDF)

  4. Wilke, C. O, J. Wang, C. Ofria, R. E. Lenski, and C. Adami. 2001. Evolution of digital organisms at high mutation rate leads to survival of the flattest. Nature 412:331-333. (Abstract)(PDF)

  5. Blount ZD, Borland CZ, Lenski RE. Historical contingency and the evolution of a key innovation in an experimental population of Escherichia coli. Proc Natl Acad Sci U S A. 2008 Jun 10;105(23):7899-906. doi: 10.1073/pnas.0803151105.

  6. Zimmer, Carl The Birth of the New, The Rewiring of the Old Phenomena: The Loom, September 19, 2012.

  7. Blount, Z. D., J. E. Barrick, C. J. Davidson, and R. E. Lenski. 2012. Genomic analysis of a key innovation in an experimental Escherichia coli population. Nature 489:513-518. doi:10.1038/nature11514

Neuroanatomia Comparativa: um pequeno ‘tour’ pelo laboratório de pesquisa da neurocientistas de plantão.

Este é um post* bem fácil de escrever, pois todas as informações que preciso estão concentradas em um único local, o próprio site que me proponho a divulgar, o do Laboratório de Neuroanatomia Comparativa, do Instituto de Biociências, da UFRJ,  coordenado pela professora Suzana Herculano-Houzel, a neurocientista de plantão, grande e conhecida divulgadora científica de nosso país.

Suzana, juntamente com seus alunos e colaboradores, além do excelente trabalho de divulgação das neurociências, mantém uma produtiva linha de pesquisa científica na área de neuroanatomia comparativa, pesquisando principalmente o cérebro dos mamíferos, um campo essencial para a compreensão da evolução dos sistema nervoso dos animais.

[Figura retirada da página do laboratório e originalmente presente em Herculano-Houzel, 2012]

Entre as informações encontradas na página do laboratório e que chamam nossa atenção é a de que os cérebros, apenas entre os mamíferos, variam em até 100000 vezes em relação aos seus tamanhos, o que pode ser visualizado se pensarmos que este grupo de vertebrados inclui desde o menor musaranho até a gigantesca baleia azul. Esta simples mas impressionante constatação sugere uma importante questão aos biólogos evolutivos e comparativos:

 

Como tal diversidade de tamanhos cerebrias foi produzida ao longo da evolução?

O que por sua vez, suscita várias outras questões:

Há alguma regularidade em todas as espécies e de grupos taxonômicos mais amplos, compartilhadas independentemente da dimensão ou da espécie em particular?

Ou será que existem características que seriam específicas apenas de alguns grupos de mamíferos e quais seriam as regras de [auto]construção dos cérebros dos mamíferos?

Com um a resposta inicial, hoje, está bem estabelecido que existe claramente uma ordem subjacente por trás desta grande diversidade. Isso é facilmente demonstrável pelo fato dos cérebros dos mamíferos terem um córtex cerebral claramente identificável, um cerebelo em sua porção posterior, bulbos olfativos em sua porção anterior, além de um tronco cerebral em sua base que é contíguo medula espinhal. O principal tópico investigado no laboratório é a questão da escala na evolução do sistema nervoso, ou seja, das relações entre números de neurônios (e outras células nervosas) e tamanhos relativos de estruturas cerebrais e do corpo dos animais.

A maioria dessas pesquisas feitas no laboratório envolvendo análise quantitativa tem como base uma metodologia de contagem celular muito refinada e precisa, o fracionamento isotrópico, que permitiu, por exemplo, a estimação com muito mais confiança do número de neurônios nos cérebros dos seres humanos que antes imaginava-se estarem por volta dos 100 bilhões, mas hoje são estimados em cerca de 86 bilhões de células.

Algo semelhante ocorreu com as estimativas das células gliais, um outro tipo de célula dos sistema nervoso com papéis estruturais, suporte metabólico e imunológico, que antes acreditava-se existirem em números 10 vezes maiores do que o número de neurônios, mas que, de acordo, com a nova metologia desenvolvida por Suzana e Robert Lent existiram em um número equivalente ou apenas um pouco maior ou menor do que o de neurônios.

Apesar do laboratório não ser muito antigo, seus pesquisadores já estão envolvidos no re-exame de muitos pressupostos, bem disseminados mesmo entre os neurobiólogos comparativos, entrando fundo em questões muito interessantes e pertinentes.

Nem todos os cérebros são construídos da mesma maneira:

Tradicionalmente o tamanho do cérebro tem sido considerado um indicador do número de neurônios no cérebro nas diversas espécies, o que era defendido a partir da ideia que os diferentes cérebros de diferentes grupos de mamíferos seguiriam as mesmas regras de dimensionamento e escala (veja as revisões em Herculano-Houzel, 2011, 2011 e 2012). Porém, isso não pode mais ser defendido, já que comparações entre diversas ordens de mamíferos como as envolvendo a análise quantitativa de roedores (aqui, e aqui), primatas (aqui e aqui) e insetívoros. Estes estudos mostram que cada ordem segue suas próprias regras de dimensionamento neuronal, ou seja, cada um desses grupos tem sua relação particular entre o tamanho do cérebro e o número de neurônio, o que contrasta com as relações entre o tamanho cerebral e o número de outras células não-neuronais são compartilhadas por todas as ordens e estruturas cerebrais estudadas até momento.

Não somos tão especiais assim, mesmo no que diz respeito aos nossos cérebros.

Embora nossas capacidades cognitivas, culturais e tecnológicas sejam impressionantes (pelo menos para nós mesmos), nossos cérebros não destoam tanto do padrão mamífero e primata como muitos acreditam. Pelo menos em relação ao número de neurônios nossos cérebros não são lá especiais quando comparados a outros primatas. Mesmo em relação ao tamanho, desde que os grandes primatas hominoides não humanos sejam deixados de lado, nós também não somos primatas tão diferentes assim dos demais, o que leva a colocar algumas questões tradicionais sobre as relações entre cérebro e tamanho corporal de uma maneira um tanto diferente:

A maneira usual de expressar esta comparação é afirmando que o cérebro humano é maior do que o esperado para o seu tamanho corporal. O raciocínio aqui é que, se os seres humanos são menores do que os grandes macacos, então nosso cérebro deve ser menor do que a deles. Mas o argumento pode ser o contrário: se os grandes símios são maiores do que os humanos, por que eles não têm cérebros maiores do que eles têm?”

Esta questão pode ser respondida por meio de outra linha de investigação leva à cabo pelo membros do Laboratório de Neuroanatomia Comparativa, da UFRJ:

O custo metabólico de ser humano: Cozinhando para que o alimento renda mais.

De acordo com Herculano-Houzel e Karina Fonseca-Azevedo, sua aluna de pós-graduação, os custos de manter um cérebro humano estariam por volta 500 kcal ao dia, o que envolveria cerca de 20 a 25 % do gasto energético total do copo. As duas pesquisadoras, entretanto, demonstraram que este custo energético não é extraordinário, mas é, de fato, a quantidade esperada de calorias necessárias para manter o número de neurônios no cérebro humano, tendo como base a constatação de que o custo metabólico de um cérebro é independentemente do tamanho desse cérebro, sendo, na verdade, uma função linear simples de seu número de neurônios com um custo médio de 6 kcal por cada bilhão de neurônios por dia. De acordo com as pesquisadoras, esta relação linear poderia explicar o paradoxo dos grandes símios da forma como o grupo propôs sua reformulação. Por que estes animais não evoluíram cérebros maiores? A resposta seria que sua dieta não é suficiente para pagar os custos energéticos de cérebros proporcionalmente maiores, como seria esperado.

Provavelmente, nossos antepassados enfrentaram o mesmo tipo de limitação metabólica, mas de acordo com as pesquisadoras, estas limitações devem ter sido vencidas, sugerem elas, pelo cozimento dos alimentos, o que teria liberado nossos ancestrais das restrições energéticas típicas dos primatas e permitindo a evolução do tamanho cerebral em nossa linhagem nos últimos 2 milhões de anos. Com mais calorias disponíveis obtidas como menos tempo de forrageio e esforço por dia, grandes cérebros que seriam originalmente inviáveis pelos seus custos podem ter passado a ser itens vantajosos, especialmente frente as demandas socioculturais e ecológicas as quais nossa linhagem estaria sujeira, sendo portanto favorecidas pela seleção natural positiva ao longo da evolução.

Grandes cérebros para corpos grandes?

Embora o tamanho do cérebro aumenta a uma taxa menor do que o tamanho do corpo, normalmente espécies de maior porte tendem a ter cérebros também maiores, geralmente seguindo funções de potência com expoentes variando entre 0,6 e 1,0, entre as espécies de diferentes ordens. Esta característica normalmente é tida como devida a uma exigência de corpos maiores por mais neurônios para controlá-los. Porém, mais uma vez, o grupo descobriu que embora grandes primatas tenham realmente mais neurônios em sua medula espinhal, a taxa pela qual estes neurônios aumentam em número é pequena, com expoente em torno de apenas 0,3. De modo semelhante, o número de número de neurônios motores faciais aumenta de maneira bem lenta em relação ao tamanho do corpo, com um expoente de apenas 0,2, tanto entre marsupiais como entre primatas. Além disso, no crocodilo, que é um animal que cresce por toda a sua vida, o aumento da massa corporal é acompanhado apenas uma pequena taxa de aumento da massa cerebral.

Estas descobertas, de acordo com o grupo de pesquisadores, em conjunto com os muito baixos números de neurônios localizados na medula espinhal e no tronco-cerebral em comparação com o cérebro, sugerem que apesar de corpos maiores realmente tenderem a precisar de mais neurônios,esta pressão por mais neurônios é muio menos do que o imaginado e explica apenas uma pequena parte do aumento da massa cerebral e do número de neurônios entre as espécies. Esta constatação levou a proposta de que, no final das contas, a massa corporal não seria assim tão relevante e, portanto, não deveria ser usada como parâmetro de normalização em estudos comparativos.

Livrando-se de alguns dogmas:

Como já aludido, uma das características mais interessantes do trabalho do grupo de Suzana é que seus trabalhos tem ajudado a livrarmo-nos de alguns dogmas e refutar alguns mitos da neuroanatomia comparativa, alguns deles repetidos em livros e disseminados na imprensa, mas que não tinham base experimental:

1) O primeiro mito sobre o qual já comentamos é que o cérebro humano teria 100 bilhões de neurônios. Segundo o site do grupo os pesquisadores consideram que na verdade esta nunca foi uma estimativa precisa, mas apenas uma estimativa da ordem de grandeza do número de neurônios. Como já comentado o número estaria por volta dos 86 bilhões de neurônios;

2) Outro dogma também já comentado é as células gliais não existiram em um número 10X maior do que o de neurônios no cérebro humano, mas, no máximo, uma célula da glia para cada neurônio em todo o cérebro;

3) A porcentagem de neurônios no córtex cerebral que estão conectados através da substância branca (antes tida como constante entre as espécies), na verdade, diminui ente as espécies de primatas com o aumento do tamanho do cérebro. Porém, essa porcentagem parece ser relativamente estável em roedores de tamanho cerebral maior;

4) A proporção de células da glia para neurónios não aumenta com o tamanho do cérebro, mas sim com a diminuição da densidade neuronal (e, assim, presumivelmente com o aumento do tamanho médio neuronal);

5) O número de neurônios no cortex de uma espécie não é uma simples função de sua área de superfície e o grau de girificação não é nem uma função do número de neurônios nem da área da superfície, dentro do córtex cerebral humano ou entre as espécies. Os pesquisadores propõem, em contraste, que o grau de dobramento cortical seria determinados pela substância branca, por meio de uma combinação de fatores envolvendo o número de fibras na substância branca subcortical, o calibre dessas fibras e a tensão ao longo dos axônios.

6) A noção tradicional de que a neurogênese teria seus fim por volta do nascimento, de modo que todos os neurônios encontrados no córtex adulto já estariam presentes ao nascimento, não se sustenta mais, já que se verificou-se neurogênese cortical maciça em ratos após o seu nascimento – e em todo o cérebro;

7) Antes a expansão cortical era equacionada com “a evolução do cérebro”, pressupondo que o tamanho relativo do córtex cerebral aumentaria enquanto o tamanho relativo do cerebelo permaneceria razoavelmente constante, mas essa expansão não é acompanhada por uma expansão do número relativo de neurônios corticais. Em vez disso, o córtex cerebral e o cerebelo ganham neurônios de maneira coordenada entre as várias espécies, incluindo os seres humanos, apesar do rápido aumento no tamanho do córtex cerebral.

Estes resultados e as linhas de pesquisa desenvolvidas no laboratório indicam uma característica importante das ciências. O avanço no conhecimento também depende da desmistificação e correção de equívocos e erros. Muitas vezes é preciso desconstruir para avançar no conhecimento em bases mais sólidas e mais críticas.

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Curtam a última palestra de Suzana sobre as regras de dimensionamento dos cérebros de primatas e como nós seres humanos nos inserimos nesta história, além de como mudanças em nossas estratégias dietárias podem ter permitido a evolução de nossos cérebros em nossos ancestrais, direto do TED:

O que há de tão especial sobre o cérebro humano? 


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*Este post foi baseado principalmente nos textos em inglês disponíveis na própria página do laboratório de neuroanatomia comparativa, além dos artigos publicados por Suzana, seus colaboradores e sua equipe de neurocientistas.

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Literatura Recomendada:

  • Herculano-Houzel S. The human brain in numbers: a linearly scaled-up primate brain. Front Hum Neurosci. 2009;3:31. doi: 10.3389/neuro.09.031.2009.

  • Azevedo FA, Carvalho LR, Grinberg LT, Farfel JM, Ferretti RE, Leite RE, Jacob Filho W, Lent R, Herculano-Houzel S. Equal numbers of neuronal and nonneuronal cells make the human brain an isometrically scaled-up primate brain. J Comp Neurol. 2009 Apr 10;513(5):532-41. doi: 10.1002/cne.21974.

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  • Herculano-Houzel S. Coordinated scaling of cortical and cerebellar numbers of neurons. Front Neuroanat. 2010;4:12. doi: 10.3389/fnana.2010.00012.

  • Ventura-Antunes L, Mota B, Herculano-Houzel S. Different scaling of white matter volume, cortical connectivity, and gyrification across rodent and primate brains. Front Neuroanat. 2013;7:3. doi: 10.3389/fnana.2013.00003.

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  • Watson C, Provis J, Herculano-Houzel S. What determines motor neuron number? Slow scaling of facial motor neuron numbers with body mass in marsupials and primates. Anat Rec (Hoboken). 2012 Oct;295(10):1683-91. doi: 10.1002/ar.22547.

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  • Herculano-Houzel S. Neuronal scaling rules for primate brains: the primate advantage. Prog Brain Res. 2012;195:325-40. doi: 10.1016/B978-0-444-53860-4.00015-5.

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  • Herculano-Houzel S. Brains matter, bodies maybe not: the case for examining neuron numbers irrespective of body size. Ann N Y Acad Sci. 2011 Apr;1225:191-9. doi: 10.1111/j.1749-6632.2011.05976.x.

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  • Fonseca-Azevedo K, Herculano-Houzel S. Metabolic constraint imposes tradeoff between body size and number of brain neurons in human evolution. Proc Natl Acad Sci U S A. 2012 Nov 6;109(45):18571-6. doi: 10.1073/pnas.1206390109.

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  • Herculano-Houzel S. Scaling of brain metabolism with a fixed energy budget per neuron: implications for neuronal activity, plasticity and evolution. PLoS One. 2011 Mar 1;6(3):e17514. doi: 10.1371/journal.pone.0017514.

  • Herculano-Houzel S, Ribeiro P, Campos L, Valotta da Silva A, Torres LB, Catania KC, Kaas JH. Updated neuronal scaling rules for the brains of Glires (rodents/lagomorphs). Brain Behav Evol. 2011;78(4):302-14. doi: 10.1159/000330825.

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  • Collins CE, Leitch DB, Wong P, Kaas JH, Herculano-Houzel S. Faster scaling of visual neurons in cortical areas relative to subcortical structures in non-human primate brains. Brain Struct Funct. 2013 May;218(3):805-16. doi: 10.1007/s00429-012-0430-5.

  • Herculano-Houzel S, Collins CE, Wong P, Kaas JH, Lent R. The basic nonuniformity of the cerebral cortex. Proc Natl Acad Sci U S A. 2008 Aug 26;105(34):12593-8. doi: 10.1073/pnas.0805417105.

  • Herculano-Houzel S, Mota B, Lent R. Cellular scaling rules for rodent brains. Proc Natl Acad Sci U S A. 2006 Aug 8;103(32):12138-43.

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  • Herculano-Houzel S, Watson C, Paxinos G. Distribution of neurons in functional areas of the mouse cerebral cortex reveals quantitatively different cortical zones. Front Neuroanat. 2013 Oct 21;7:35. doi: 10.3389/fnana.2013.00035.

Créditos das Figuras:

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O que começa bem devagar, mas acelera mais tarde? Especiação em borboletas

O que os cientistas chamam de especiação está na base da ancestralidade comum, pois, na medida que sub-populações divergem umas das outras (mudando suas características hereditárias ao longo das gerações) novas linhagens emergem, linhagens essas que são aparentadas, uma vez que originaram-se de uma população ancestral comum.

Por isso o estudo da especiação é tão importante dentro da biologia evolutiva, com seus aspectos genéticos e ecológicos sendo constantemente alvos de estudos de campo e experimentos. Esta é uma área onde existem muitas questões em aberto sobre como este fenômeno ocorre e quais seriam suas causas nas diversas etapas do processo de divergência.

Por exemplo, até hoje, não conhecemos a taxa em que os genomas divergem durante o processo de especiação, bem como não compreendemos em detalhe a dinâmica física do processo [1]. [Imagem ao lado. Crédito: Marcus Kronforst]

“Especiação é um dos processos evolutivos mais fundamentais, mas ainda há aspectos que nós não entendemos completamente, por exemplo, quais as alterações do genoma quando uma espécie se divide em duas“, disse Marcus Kronforst, professor assistente Família Neubauer  de ecologia e evolução da Universidade de Chicago [2] coautor de um novo estudo sobre a questão.

Neste novo estudo, publicado na revista Cell Reports, seus autores fornecem evidências de que apenas algumas mudanças genéticas seriam necessárias para deflagar a evolução de novas espécies, inclusive mediante a continua troca de genes entre as populações divergentes. O estudo também mostrou que, uma vez iniciado o processo de divergência, ele passa a acontecer rapidamente, levando a espécies totalmente isoladas geneticamente umas das outras [2].

Com o intuito de elucidar essas e outras questões o grupo de cientistas responsáveis por este artigo comparou as sequências genômicas completas de 32 borboletas de uma comunidade de cinco espécies de borboletas do gênero Heliconius (Nymphalidae: Heliconiinae) capazes de hibridização. Os pesquisadores analisaram, então, os padrões de introgressão por meio de análises dos genomas como um todo para que pudessem inferirem como o processo de divergência teria ocorrido durante a especiação [1]. [Imagem ao lado. Crédito: Marcus Kronforst]

Os trabalhos concentraram-se inicialmente em duas espécies de borboletas Heliconius intimamente relacionadas, H. cydno e H. pachinus que divergiram há relativamente pouco tempo e que ocupam habitats ecológicos semelhantes e ainda são capazes de cruzarem entre si e, portanto, continuam trocando uma pequena quantidade de material genético [2].

Antes de continuarmos cabe, porém, uma pequena contextualização. Essas borboletas, que habitam regiões tropicais do continente americano, são conhecidas por exibirem uma enorme diversidade de padrões de coloração em suas asas, tendo passado por eventos de rápida especiação e divergência, mostrando também um impressionante nível de convergência nesses mesmos padrões de asa devido ao mimetismo. Essas borboletas são há mais de 150 anos um fantástico laboratório ecológico e evolutivo, nos possibilitando  acumularmos uma grande quantidade de informação sobre sua ecologia, sistemática e evolução, principalmente do que tange o mimetismo e a especiação. [Para mais informações consulte o site heliconius.org]

O mimetismo é um fenômeno encontrado na natureza no qual uma espécie assemelha-se a outra, tendo como efeito a confusão de eventuais predadores, ou que a tomam pela outra espécie perigosa, por exemplo não palatável, como é o caso do mimetismo Batesiano (proposto por Henry Bates); ou, como é o caso de outra forma de mimetismo, chamado de Mülleriano (proposto como explicação para tais padrões de similaridade por Fritz Müller), ocorre quando espécies não palatáveis convergem em sua morfologia, comportamento e ecologia de modo que seus padrões de alerta sejam disseminados reforçando-se mutuamente já que a predação sofrida por uma que serve como aprendizado da não palatabilidade da outra,por parte do predador, dividindo a pressão ecológica sobre ambas, diminuindo o custo de predação sobre todas elas. Esse é o caso das borboletas do gênero Heliconius. [Dê uma olhada no artigo “Como o mimetismo se estabelece em borboletas”].

Voltando ao estudo da revista Cell Reports, este gênero de borboletas permite aos pesquisadores explorarem a dinâmica da evolução genômica durante a especiação porque sua radiação recente produziu um continuum de táxons que co-ocorrem em diferentes fases do processo de especiação. Como essas borboletas divergiram umas das outras em épocas diferentes, podemos capturar várias etapas desse processo de divergência ao compararmos os grupos que divergiram a menos tempo com os que divergiram há mais tempo, analisando a quantidade e a o tipo de mudanças que acumularam-se em escalas de tempo distintas.

Outro ponto importante, que permitiu este estudo, é que os pesquisadores descobriram que o fluxo gênico entre essas espécies, em virtude da manutenção de certa capacidade de hibridação, silencia as variantes genéticas sem importância para a especiação. E foi isso que possibilitou que eles identificassem neste trabalho as principais áreas genéticas  afetadas pela seleção natural [2].

Para caracterizar o sistema, os pesquisadores empregaram o modelo de isolamento-com- migração (IMa2), incorporando dados de muitas regiões genômicas amostradas em todo o genoma para estimar a história da divergência e o fluxo gênico entre as espécies. Os tempos de divergência inferidos e as taxas de migração entre as espécies foram todos consistentes com os resultados anteriores obtidos a partir de conjuntos de dados menores. Os pesquisadores foram mais além na caracterização do sistema e estimaram os parâmetros demográficos que foram inferidos por meio da simulação de dados genômicos em situações com e sem fluxo gênico interespecífico. Com as simulações incluindo fluxo gênico interespecífico duradouro dando resultados semelhantes ao nível de divergência realmente observado , enquanto simulações sem o fluxo de genes produziram níveis de divergência de cinco a seis vezes maiores do que os observados [1].

Em conjunto, estes resultados sugerem que as taxas de fluxo gênico entre as espécies são altas e suficientes para impedir a diferenciação genética neutra forte que seria esperada na ausência de introgressão. Isso quer dizer que o fluxo gênico interespecífico parece homogeneizar parcialmente a variação genética nas porções do genoma que estão livres para cruzar as fronteiras das espécies, permitindo um estudo abrangente de como divergência ao nível de espécie é iniciada ao nível genômico e como ela se desenvolve posteriormente.

Abaixo estão mostradas as cinco espécies hibridizáveis do gênero Heliconius da Costa Rica que demonstra diferentes níveis de diferenciação genômica e de fluxo gênico. Em (A) está mostrada uma filogenia de H. cydno, H. pachinus e H. melpomene, juntamente com as suas espécies usadas como grupos externos, H. hecale e H. ismenius. Esta filogenia foi inferida tendo como base dados das sequências dos seus genomas. À direita estão mostrados espécies comimicas distantemente relacionadas. Em (B) podem ser vistos os locais de coleta de amostras individuais, codificadas por cores de acordo com (A). Em (C) está ilustrada a história da divergência e fluxo gênico entre os táxons focais com base na análise dos dados do genoma usando o modelo IMa2. Por fim em (D) vemos as distribuições dos FST empíricos entre H. cydno , H. pachinus e H. melpomene , com sombreamento indicando as distribuições FST obtido de simulações com base na teoria do coalescente com e sem fluxo gênico interespecífico. O FST (índice de fixação) é uma estatística baseada na estatística F de Wright que serve para medir o grau de diferenciação genética das populações, sendo em geral estimada a partir de dados de polimorfismo genético [1].

 

Em seu artigo, os pesquisadores descrevem que a divergência inicial é restrita a uma pequena porção dos genomas das borboletas, porções essas agrupadas, principalmente, em torno de genes ligados aos padrões das asas já bem conhecidos [1]. Esse processo, com o tempo, passa a evolver novas regiões divergentes, progredindo mais rapidamente [1]. De acordo com seus resultados, as espécies de borboletas diferiam umas das outras em apenas 12 pequenas regiões genômicas, mantendo-se praticamente idênticas em todo o resto dos seus genomas. Dessas regiões, oito estão associadas com genes envolvidos na formação dos padrões de coloração das asas que, por sua vez, desempenham papeis reprodutivo (evitar o acasalamento entre as populações divergentes) e ecológico (evitação de predadores) claros, estando sob intensa pressão de seleção [2]. Como explica Kronforst:

“Estas 12 porções parecem funcionar bem somente no ambiente que sua espécie ocupa, e por causa disso são impedidos de moverem entre os pools gênicos, embora outras partes dos genomas sejam trocadas de um lado para outro”

Essas porções, portanto, trariam prejuízos adaptativos as populações da outra espécie em divergência e portanto não se disseminariam nelas, mesmo mediante ao intercruzamento eventual, já que os híbridos que mostrassem essas características no ambiente errado não sobreviveriam muito tempo e não deixariam descendentes.

Os cientistas continuaram suas análises, mas desta vez comparando os genomas dos duas espécies muito próximas como o de uma terceira espécie, ainda intimamente aparentada, mas mais distante em termos de divergência evolutiva [2]. Aqui, Neste caso foram encontradas centenas de diferenças genômicas, indicando que a taxa de divergência genética teria rapidamente se acelerado após o início do processo [2].

“Nosso trabalho sugere que algumas mutações vantajosas são suficientes para causar um cabo-de-guerra entre a seleção natural e o fluxo gênico, o que pode levar a rápida divergência entre genomas“,  disse Kronforst .

“Nós descobrimos que apenas uma pequena fração do genoma é marcadamente diferente entre espécies estreitamente relacionadas, mas muito mais porções do genoma – mais do que alguém esperaria – mostram diferenças similares entre as espécies mais distantemente relacionadas”, explicou Kronforst. [3]

“Isso indica que as mudanças genéticas que são importantes para causar especiação são bem agrupadas no início da especiação, mas não tão tarde assim no processo, o padrão geral de divergência do genoma que começa lento depois pega carona em um foguete rumos aos céus.” [3]

Estudos anteriores já haviam avaliado a importância evolutiva da hibridação e da introgressão uma vez que, apesar de híbridos poderem muitas vezes serem raros e mal adaptados, a hibridização pode ajudar o processo de adaptação, transferindo características benéficas entre as espécies. Este fenômeno parece ser particularmente em espécies como as do gênero Heliconus. Os pesquisadores do The Heliconius Genome Consortium valeram-se de ferramentas de análise genômica para investigar introgressão em Heliconius e, ao sequenciarem o genoma de Heliconius melpomene e compararam-no aos genomas de outros grupos, puderam verificar que, entre os 12.669 genes preditos, estavam expansões biologicamente importantes em famílias dos genes Hox e de genes ligados quimiorrecepção (detecção de moléculas odoríferas) foram particularmente notáveis [5]​​.

Os cientistas do consórcio constataram que a organização cromossômica manteve-se bastante conservada desde o período Cretáceo, quando as borboletas separaram-se da linhagem das mariposas Bombyx. Por meio do re-sequenciamento genômico foi possível mostrar a troca de genes por hibridização entre três espécies co-miméticas, Heliconius melpomene, Heliconius timareta e Heliconius elevatus. Trocas essas que foram particularmente significantes em duas regiões genômicas associadas ao controle dos padrões miméticos das asas. A partir desses resultados, os cientistas concluíram que espécies Heliconius próximas trocam entre si genes de padrão de coloraçã de maneira promiscua, o que, segundo eles, implica que a hibridização teve um papel importante na radiação adaptativa [5]. [Para saber mais veja o post “O genoma da borboleta – mimetismo e introgressão” do Genomando]

Porém, ainda assim esses resultados poderiam ser decorrentes de polimorfismo ancestral, já que este fenômeno pode também produzir uma assinatura de ancestralidade compartilhada em torno dos genes do mimetismo. Para investigar esta hipótese alternativa, dois pesquisadores, Joel Smith e Marcus R. Kronforst (co-autor do estudo do Cell Reports e participante do consórcio de sequenciamento) mediram a divergência entre as sequencias de DNA em torno dos genes associados ao mimetismo e que hipoteticamente haviam introgredido, comparando-os esta com o resto do genoma [6]. Essas análises revelaram que as regiões supostamente introgredidas exibiam níveis bem reduzidas de divergência entre as sequências entre as espécies co-miméticas, resultado este que sugere que os tempos de divergência são menores para estas sequências do que o para o resto do genoma. Estes resultados são consistentes com a hipótese de introgressão e, portanto, não com a variação ancestral, reforçando a ideia que o empréstimo de genes (não apenas miméticos) por hibridização são a causa mais provável dos padrões encontrados [6].

Este ‘cabo-de-guerra’ entre a seleção natural e o fluxo gênico resultaria nesse início lento e na progressão rápida, posterior, com a divergência entre as espécies de borboletas sendo impulsionada por uma combinação de novas mutações e de genes emprestados das populações das quais divergiram [3]. Os pesquisadores também puderam constatar que os genomas dessas borboletas mostram também que as mesmas porções nos genomas foram importantes em vários outros eventos de especiação [3].

“Além de borboletas, é possível que este tipo de especiação, em que a seleção natural associada a ecologia causa a origem de novas espécies, tenha sido importante na evolução de outros organismos”, disse Kronforst [3].

Este estudo mostra que a especiação em Heliconius frente o fluxo gênico gera heterogeneidade genômica durante a divergência, com este processo inicialmente sendo altamente restrito – agrupado, em sua maior parte, ao redor dos genes responsáveis pela padronização das asas -, porém, depois disso, evoluindo rapidamente com novas regiões diferenciadas sendo observadas. Sendo todo esse processo influenciado pela seleção natural divergente e purificadora, bem como pela introgressão de genes de outras espécies. Os pesquisadores, por fim, concluíram que este estudo fornece um retrato muito abrangente da evolução dos limites entres espécies, como o papel da hibridação na redução da acumulação de divergência de fundo em regiões genômicas neutras [1].

Estes resultados mostram como processos microevolutivos podem produzir os padrões de heterogeneidade genômico durante a especiação, dando partida ao processo de divergência que apesar de começar de maneira lenta e restringir-se a poucos genes e regiões adjacentes imediatamente associadas com a adaptação, com o passar do tempo, acaba por ganhar tração na medida que as linhagens divergem cada vez mais rapidamente. Assim, mesmo sem a necessidade de barreiras rígidas ao fluxo gênico, este processo pode ocorrer por meio desse cabo-de-guerra entre a seleção natural agindo em contextos ecológicos locais diferentes e a troca de genes por meio da hibridização com espécies co-miméticas.

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Referências:

  1. Kronforst, Marcus R.; Hansen, Matthew E.B.; Crawford, Nicholas G.; Gallant, Jason R.; Zhang, Wei; Kulathinal, Rob J.; Kapan, Durrell D.; Mullen, Sean P. Hybridization reveals the evolving genomic architecture of speciation. Cell Reports, 2013 DOI: 10.1016/j.celrep.2013.09.042

  2. Evolution of New Species Requires Few Genetic Changes, University of Chicago Medical Center, 28 de outubro de 2013.

  3. Butterflies show origin of species as an evolutionary process, not a single event Eurekalert, 31 de outubro de 2013

  4. Dasmahapatra KK, Walters JR, Briscoe AD, Davey JW, Whibley A, Nadeau NJ, Zimin AV, Hughes DS, Ferguson LC, Martin SH, Salazar C, Lewis JJ, Adler S, Ahn SJ, Baker DA, Baxter SW, Chamberlain NL, Chauhan R, Counterman BA, Dalmay T, Gilbert LE, Gordon K, Heckel DG, Hines HM, Hoff KJ, Holland PW, Jacquin-Joly E, Jiggins FM, Jones RT, Kapan DD, Kersey P, Lamas G, Lawson D, Mapleson D, Maroja LS, Martin A, Moxon S, Palmer WJ, Papa R, Papanicolaou A, Pauchet Y, Ray DA, Rosser N, Salzberg SL, Supple MA, Surridge A, Tenger-Trolander A, Vogel H, Wilkinson PA, Wilson D, Yorke JA, Yuan F, Balmuth AL, Eland C, Gharbi K, Thomson M, Gibbs RA, Han Y, Jayaseelan JC, Kovar C, Mathew T, Muzny DM, Ongeri F, Pu LL, Qu J, Thornton RL, Worley KC, Wu YQ, Linares M, Blaxter ML, ffrench-Constant RH, Joron M, Kronforst MR, Mullen SP, Reed RD, Scherer SE, Richards S, Mallet J, McMillan W, Jiggins CD. Butterfly genome reveals promiscuous exchange of mimicry adaptations among species. Nature. 2012 Jul 5;487(7405):94-8. doi:10.1038/nature11041.

  5. Smith J, Kronforst MR. Do Heliconius butterfly species exchange mimicry alleles? Biol Lett. 2013 Jul 17;9(4):20130503. doi: 10.1098/rsbl.2013.0503.