Além da seleção natural ou a importância da evolução neutra.

A palavra “evolução” descreve o padrão arborescente de ancestralidade comum, a poderosa idéia de Darwin, que gera uma “hierarquia aninhada” com as mesmas características das árvores genealógicas de famílias humanas, estendendo a noção de parentesco à todas as espécies.

Entretanto, “evolução”, em seu sentido minimo (estando este significado implícito no sentido mais popular, comentado no parágrafo anterior), é simplesmente a mudança transgeracional de características hereditárias de uma população, algo que é maravilhosamente capturado pela expressão criada por Darwin, “descendência com modificação, antes que o termo “evolução” fosse empregado para descrever este processo. Em realidade, esta
mudança transgeracional depende de outros dois processos. O primeiro é a geração de variabilidade hereditária e o segundo é a sobrevivência e reprodução diferencial destas variantes. Por este motivo, a evolução é muitas vezes definida operacionalmente, por geneticistas de populações, como mudanças das freqüências alélicas (isto é, de variantes gênicas) ao longo das gerações em uma população.

Darwin, juntamente com o naturalista, Alfred Russell Wallace, contribuiu com outra idéia fundamental ao estudo da evolução biológica, a seleção natural. Este conceito surgiu em analogia a seleção artificial de características morfológicas e fisiológicas, levada a cabo por criadores de animais e cultivadores de plantas. O termo “seleção natural” descreve o processo de sobrevivência e reprodução diferencial dos indivíduos de uma população, quando este é afetado causalmente, diga-se de passagem, pela posse de determinadas características hereditárias, desta forma aumentando a proporção destas características nas gerações futuras da população em questão. Então, o destino da variabilidade hereditária (i.e., genética, criada por mutações) quando estas
alteram características, que envolvem as capacidades de sobrevivência e reprodução dos organismos que as possuem, é, parcialmente, determinado pela seleção natural.

Desta forma, caso os novos alelos, introduzidos em uma população por mutações, tornem seus portadores mais propensos a deixarem mais descendentes, aumentando sua aptidão, conferindo vantagens aos portadores destas características, estamos observando “seleção natural positiva”. Por outro lado, caso as mutações diminuam a aptidão de seus portadores, diminuindo suas chances de sobrevivência e reprodução (portanto, reduzindo sua representação nas próximas gerações), temos o que se chama de “seleção natural negativa
(ou purificadora)”. Em uma terceira situação, na qual o alelo só traga vantagem em heterozigose, observamos a “seleção balanceadora” que manterá ambas versões alélicas na população, mesmo que individualmente, em homozigose, estes mesmos alelos sejam deletérios e causem prejuízo aos indivíduos que os possuem.

No caso em que a seleção positiva está atuando, ao longo do tempo, ela elevará a freqüência do alelo que confere maior aptidão em uma dada população. Por fim, levando a substituição completa do alelo anterior pelo alelo mutante, o que se chama de fixação, ou seja, a freqüência do alelo chega a 100% naquela dada população.

Entretanto, ao analisarmos estes processos com mais atenção, notamos que para que ocorra seleção natural é preciso que os alelos envolvidos causem, pelo menos em parte, diferenciais reprodutivos, alterando a aptidão de seus portadores. Caso contrário não haverá seleção. Se isso não acontece, ainda assim, a evolução continua.

Se as populações, simplesmente, não continuarem crescendo indefinidamente, ao longo das gerações, as freqüências genéticas dos alelos tenderão a flutuar. Imagine, por exemplo, que os diversos alelos presentes em uma população confiram exatamente a mesma aptidão. Mesmo assim, apenas uma fração dos gametas darão origem a indivíduos adultos capazes de gerar seus próprios gametas e, assim, se reproduzir. Uma grande quantidade de alelos será perdida apenas pelo efeito de erro de amostragem no processo de reprodução. Este efeito será, quanto mais drástico, quanto menor o tamanho da população.

Este efeito é basicamente produzido por “erros de amostragem estatística” a cada geração, já que, da enorme gama de gametas produzidos, apenas uma fração diminuta contribuirá à proxima geração. A figiua abaixo ilustra o efeito desta dinamica de amostragem aleatória (clique nela para ver a animação).

Neste caso, quando as populações são pequenas, mesmo alelos que confiram vantagens adaptativas, aos seus portadores, podem ser perdidos nesta “loteria” reprodutiva. De forma complementar, alelos que confiram pequenas desvantagens, diminuindo a aptidão, podem ser mantidos e levados a fixação em uma população.

Este processo, chamado de deriva genética, proposto por Sewall Wrigth, é de extrema importância para evolução (Na figura ao lado, está ilustrado o efeito da deriva genética aleatória na probabilidade de fixação de alelos em relação ao tamanho da população.). Porém, apenas a partir dos anos sessenta, com os primeiros estudos sobre o relógio molecular e
a descoberta da grande diversidade bioquímica das proteínas nas populações biológicas, é que este fenômeno começou a ganhar sua devida atenção. Isto aconteceu, principalmente, através dos trabalhos do geneticista matemático japonês, Motoo Kimura, proponente da “teoria neutra da evolução molecular”. Pela primeira vez, os biólogos evolutivos possuíam uma elegante e robusta teoria “nula” para explicar a grande, e inesperada, diversidade molecular, além da constância do relógio molecular em muitas espécies diferentes. Esta teoria foi crucial na criação de testes para as hipóteses de seleção natural no nível molecular.

Os trabalhos de Kimura, e o artigo seminal de Jukes e King, iniciaram uma contenda científica conhecida como a “controvérsia selecionista vs. neutralista”. Este saudável e interessante debate, envolvendo os biólogos evolutivos, adentrou pelos anos 70 e 80, continuando de forma muito menos intensidade, até os dias de hoje. Este debate foi responsável por uma nova gama de abordagens matemáticas e teóricas que nos ajudam a compreender melhor a biologia evolutiva.

Na década de setenta, Kimura junto a uma colaboradora mais jovem, Tomoko Ohta, propuseram uma versão modificada da teoria neutra, a “teoria quase-neutra”. Nesta nova versão era dado muito mais atenção ao tamanho populacional e a possibilidade de que mutações ligeiramente deletérias pudessem ser levadas a fixação, por se comportar de forma “quase-neutra”, nestas situações.

As principais evidências que comprovam a importância da teoria neutra, foram sumarizado por Kimura, em um artigo de 1991:

  • Em seqüências de proteínas, substituições conservadoras de aminoácidos por aminoácidos com características físico-químicas semelhantes (ou seja, que causam poucas alteações bioquímicas sem
    muito afetar a função protéica) ocorrem em maior freqüência que alterações mais radicais.
  • Substituições sinônimas (i.e. aquelas que não alteram o aminoácido codificado) ocorrem quase sempre em uma taxa muito maior do que as substituições não sinônimas.
  • Seqüências não-codificadoras, como introns, evoluem em uma taxa mais alta, similar a de sítios sinônimos.
  • Pseudogenes, evoluem a uma taxa maior, semelhante a taxa da terceira posição de um códon.

Estas observações são extensamente corroboradas pelos dados genômicos e não se ajustam ao modelo selecionista tradicional.

Hoje a evolução neutra não pode mais ser ignorada, principalmente porque, ela esta na base dos testes para a detecção de seleção natural em genes. No entanto, hoje reconhece-se que a divisão das mutações em
deletérias, neuras e vantajosas é uma simplificação grosseira, havendo na realidade um continuum de efeitos fenotípicos que podemvariar de a cordo com o contexto, e, principalmente (como foi reconhecido pelos trabalhos de Kimura e Ohta), pelo tamanho efetivo da população.

Então, a importância da deriva genética vai ser proporcional a dois valores: (i) o tamanho efetivo da população, Ne,;e (ii) o coeficiente de seleção, s, que exprime a efeito fenotípico da mutação na aptidão do seu portador. Desta forma, mutações cujo valor de Nes for muito menor do que 1z, podem ser consideradas “efetivamente neutras”, tendo seu destino definido pelos efeitos estocásticos da deriva genética. Assim, quanto menor for Ne
maior será o efeito da deriva nos genes, mesmo que estes confiram vantagens adaptativas.

De acordo com a teoria neutra, a probabilidade de uma mutação neutra atingir a fixação é igual a sua freqüência na população, por isso, uma nova mutação tem probabilidade de 1/N (em uma população haplóide, mas o mesmo raciocínio é válido para populações diplóides), onde N é o tamanho da população. Então, se consideramos que a taxa de mutação em um determinado sítio é igual u, em uma população haplóide, a cada
geração, ocorrem Nu mutações. Assim, a taxa de substituições por geração (K) pode ser obtida simplesmente
ao multiplicar-se o número de mutações que ocorrem a cada geração ( Nu) pela sua probabilidade de fixação (1/N), o que nos dá, para sítios evoluindo de forma neutra:

K = Nu × 1/N = u

Porém, como a seleção natural altera a probabilidade de fixação de uma mutação (com a seleção positiva a aumentando, e a seleção negativa, a diminuindo, em relação as mutações neutras) espera-se que sítios afetados pela seleção positiva evoluam mais rápido (K>u), e, os afetados pela seleção negativa, evoluam mais
devagar (K<u) do que sítios neutros. Muitos dos testes para detectar a seleção natural baseiam-se nestas expectativas. Porém, é sempre preciso um pouco de cuidado, já que outros processos podem influenciar K, como a “conversão enviesada gênica” (BGC, Biased Gene conversion), assim como expansões populacionais e relaxamento da seleção negativa. Por isso, estes processos também devem ser levados em consideração. Portanto, em condições ideais, é importante que se tenha uma hipótese ecológico-funcional, ou bioquímica, para reforçar a hipótese seletiva, permitindo testar e estimar os ganhos em aptidão das variantes envolvidas.

Kimura e os defensores do modelo neutro de evolução jamais negaram a existência ou, mesmo, a importância da seleção natural, sobretudo para a evolução fenotípica. Apenas enfatizavam a maior importância relativa da fixação de alelos, seletivamente neutros, por deriva genética, na evolução molecular. Porém, nas últimas décadas um papel mais positivo para a deriva genética e outros processos estocásticos, tem sido ativamente investigado. Entre estes processos não adaptativos, podemos citar a deriva genômica em famílias multi-gênicas, como a dos receptores olfativos em primatas, e o aumento do tamanho e complexificação dos genomas, e da estrutura dos genes, nos eucariontes, por conta do acumulo de mutações efetivamente neutras propiciado pela diminuição no tamanho efetivo das populações através da árvore da vida.

A evolução dos genomas tem merecido especial atenção. Os genomas variam dramaticamente em relação ao tamanho (variando em 4 ordens de magnitude apenas nos eucariontes) e estrutura, com os genomas de procariontes sendo bastante compactos, densos em seqüências codificadoras, em marcante contraste aos genomas de eucariontes, repletos de elementos não codificadores, como seqüências inter-genicas, introns, regiões UTR e muito, mas muitos mesmo, transposons. Isto resulta em um padrão geral no qual, a grosso modo, a complexidade e tamanho dos genomas aumentam na passagem dos procariontes, para os eucariontes unicelulares e destes para os eucariontes multicelulares, como animais e plantas. Um crescente número de estudos que compilam os dados genômicos de espécies representantes dos três domínios, baseados em princípios de genética de populações muito bem estabelecidos, tem sugerido um modelo teórico capaz de explicar esta situação. O grupo de Michael Lynch, da Universidade de Indiana, vem propondo que muitas das
características genômicas são resultado de processos não adaptativos, muitos de natureza estocásticas baseados nas grandes diferenças nos tamanhos efetivos das populações (Ne) que tendem a decrescer drasticamente, na passagem de procariontes para eucariontes e de unicelulares para pluricelulares.

A taxa de deriva genética é proporcional a 1/Ne; e o efeito conjunto da seleção natural e da deriva genética em uma nova população, pode ser aproximado pela probabilidade de fixação de um novo alelo selecionado, relativamente a de um alelo neutro, o que dado por 4Nes/1 -e -4Nes. Assim o destino de uma nova mutação é determinado pelo seu efeito seletivo, relativizado pelo efeito do tamanho da população efetiva em que ele é introduzido. Portanto, um mutação que cause uma pequena desvantagem (por exemplo, s = -10 -5), caso surja em uma população com Ne=106, praticamente não terá chance de ser fixada. Não obstante, esta mesma mutação, caso a população tivesse Ne.=30000, ou seja Nes=-0,3, a chance de fixação desta mutação, ligeiramente desvantajosa, estaria por volta de 86% da chance de fixação de uma mutação neutra. Esta mutação se comportaria de forma muito semelhante a uma mutação neutra. Então, como já vimos,para mutações com |Nes| << 1, a deriva genética passa a ter uma importância substancial em seu destino. Por isso, Lynch propõe que mutações que satisfaçam |4Nes| < 1, cuja probabilidade de fixação seja 88% da de uma mutação neutra, sejam consideradas efetivamente neutras.

Na figura 1, em seguida, podemos observar como varia a probabilidade de fixação de um alelo selecionado em relação a um neutro, com o aumento do valor de Nes (no qual Nes=0, representa o caso da neutralidade, ou seja, probabilidade de fixação igual a 1). Estas considerações nos levam a perceber que o número de mutações
efetivamente neutras variará em função do tamanho populacional, como ilustrado na figura 2. Assim, a complexidade da arquitetura genômica de eucariontes, sobretudo dos multicelulares, é resultado da acumulação de mutações que cairiam na categoria de “efetivamente neutras”. Os genomas de espécies com pequenos Ne proveriam um ambiente genético adequado para o acúmulo de mutações quase neutras, como conseqüência da redução na eficiência da seleção purificadora, o que é corroborado pela diminuição nos tamanhos das populações efetivas através da “árvore da vida”. Assim, a complexidade genômica correlaciona-se negativamente com Ne.

O modelo de Lynch é também conformado pelo fato de que muitas das mutações, associadas ao ganho de complexidade estrutural nos genes e criação de redes regulatórias, seriam, pelo menos, ligeiramente deletérias, como ocorre com o acréscimo de introns (que precisa de cerca 20 a 40 pb, para que possam ser adequadamente reconhecidos e editados pelos spliceossomas) e regiões UTR (untranslated regions). A compilação de grande quantidade de dados de genomas dos três domínios revelam que a diversidade de sítios neutros (πs) que é equivalente à 4Neμ (onde μ é a taxa de mutação neutra) em populações diplóides em equilíbrio. Assim, como cada um dos sítios intrônicos podem sofrer mutações, que podem impedir seu correto funcionamento e processamento, é possível aproximar esta desvantagem seletiva, na inserção de um novo intron, por s=n μ, onde μ é a taxa de mutação por sítio. Então, para n=20, o valor crítico seria de 4Neμ= πs<0.05. Este valor é completamente compatível com as estimativas para sítios silenciosos (lembrando-se que |4Nes| < 1 pode ser considerados efetivamente neutros) em animais e plantas. Nestas espécies, que exibem grande quantidades de introns, este valor está bem a baixo deste ponto crítico. Porém, ainda mais interessante, é o fato de que o ajuste do dados da distribuição de introns entre procariontes e eucariontes unicelulares é excelente ao usarmos a hipótese de que πs= 0.05 represente o ponto crítico. Assim a redução da eficiência da seleção negativa, devido as pequenas populações, levaria a acumulação de introns, podendo levar a complexificação genômica. Além disso, algo muito semelhante seria também verdadeiro para o acúmulo de regiões UTR e para a modularização dos sistemas de regulação gênica. Tudo muito bem amparado pela teoria de genética de populações e a enorme gama de dados empíricos coletados pelo grupo de Lynch.

O modelo de Lynch explica os padrões gerais vistos na transição dos procariontes para os eucariontes e da unicelularidade para a multicelularidade, mas como o próprio Lynch admite, muitos dos detalhes de seu modelo se mostrarão errados. No entanto, a perspectiva geral parece ser muito robusta e oferece uma sólida e elegante hipótese a ser testadas. Resultados preliminares, ao analisar-se dados de herbívoros e carnívoros, parecem destoar das previsões do modelo de Lynch (ainda que o modelo tenha sido criado para explicar padrões bem mais gerais), mas estudos em peixes de
nadadeiras com arcos raiados, controlando para o metabolismo e tamanho corporal (dois outros fatores que podem confundir as análises e explicar o aumento do tamanho genômico, são compatíveis com as análises de Lynch.

A idéia de de que processos não adaptativos sejam os responsáveis por permitir a complexificação genômica, refinamentos na arquitetura dos genes e modularização das redes de controle genético, não exclui o papel da seleção natural, no ajuste e “aperfeiçoamento” destes sistemas, ou desvios desta tendências gerais em grupos particulares de eucariontes. Esta interação entre seleção e processos estocásticos, como mutação e deriva, especialmente em espécies
com substancial redução no tamanho das populações efetivas, é que parece ser a chave para a compreensão da evolução da complexidade e diversidade.

Referências:

Este artigo usou como fontes principais o ótimo artigo do portal scitable, de autoria de Laurent Duret, e uma esclarecedora revisão dos artigos de Michael Lynch, esrcrita por Soojin V. Yi, publicada no BioEssays,de onde foram retiradas as duas figuras usadas neste texto:


Duret, L. (2008) Neutral theory: The null hypothesis of molecular evolution. Nature Education 1(1)

Yi SV. Non-adaptive evolution of genome complexity. Bioessays. 2006 Oct;28(10):979-82. Review. PubMed PMID: 16998825.


Referências adicionais recomendadas:


Gregory TR, Witt JD. Population size and genome size in fishes: a closer look. Genome. 2008 Apr;51(4):309-13. PubMed PMID: 18356967.


King JL, Jukes TH. Non-Darwinian evolution. Science. 1969 May 16;164(881):788-98. PubMed PMID: 5767777.


Kimura, M. “Evolutionary Rate at the Molecular Level,” Nature (1968), 217: 624-26.

Kimura M. Recent development of the neutral theory viewed from the Wrightian tradition of theoretical population genetics. Proc Natl Acad Sci U S A. 1991 Jul 15;88(14):5969-73. PubMed PMID: 2068072; PubMed Central PMCID: PMC52003.

Lynch M. The origins of eukaryotic gene structure. Mol Biol Evol. 2006 Feb;23(2):450-68. Epub 2005 Nov 9. PubMed PMID: 16280547.


Lynch M. The evolution of genetic networks by non-adaptive processes. Nat Rev Genet. 2007 Oct;8(10):803-13. PubMed PMID: 17878896.


Ohta, Tomoko; John H. Gillespie (1996). “Development of Neutral and Nearly Neutral Theories”. Theoretical Population Biology 49 (2): 128–42. doi:10.1006/tpbi.1996.0007. , pp 130-131


Nei M, Rooney AP. Concerted and birth-and-death evolution of multigene families. Annu Rev Genet. 2005;39:121-52. Review. PubMed PMID: 16285855; PubMed Central PMCID: MC1464479.


Nei, M. (2005) Selectionism and neutralism in molecular evolution. Mol. Biol. Evol. 22:2318-2342.


Nei, M. (2006) Selectionism and neutralism in molecular evolution. Erratum Mol. Biol. Evol. 23:1095.


Stoltzfus A. On the possibility of constructive neutral evolution. J Mol Evol. 1999 Aug;49(2):169-81. PubMed PMID: 10441669.


Yi S, Streelman JT. Genome size is negatively correlated with effective population size in ray-finned fish. Trends Genet. 2005 Dec;21(12):643-6. Epub 2005 Oct 5. PubMed PMID: 16213058.


Livros recomendados:


Kimura, Motoo. 1983. The neutral theory of molecular evolution. Cambridge


Michael Lynch 2007 The Origins of Genome Architecture Sinauer


Transcrição da palestra de Lynch no Brasil:


http://www.revistapesquisa.fapesp.br/pdf/revolucao_genomica/lynch.pdf


Video da palestra de Lynch:


http://revistapesquisa.fapesp.br/?art=4977&bd=2&pg=1&lg=



Mais links de interesse:


http://authors.library.caltech.edu/5456/1/hrst.mit.edu/hrs/evolution/public/neutraltheory.html


http://authors.library.caltech.edu/5456/1/hrst.mit.edu/hrs/evolution/public/nearlyneutral.html

Crédito das imagens:
MARTIN KRZYWINSKI / SCIENCE PHOTO LIBRARY

NEMO RAMJET / SCIENCE PHOTO LIBRARY

Figuras sobre deriva genética:

Professor Marginalia através da commons.wikimedia.org.

A origem de nova informação genética. Parte I

Um dos argumentos mais irritantes, repetidos ad nauseam por aqueles que negam a evolução biológica, é o de que não existem mecanismos que aumentem o “conteúdo de informação”, ou a complexidade genética, dos seres vivos. Este argumento é irritante por dois motivos. O primeiro deles é o uso abusivo do termo ‘informação’, um conceito de aplicação muito ampla, porém, com um sentido matemático bastante rigoroso, desenovlvido a partir dos trabalhos de Claude Shannon e, posteriormente, de Kolmogorov e Chaitin, sobre a teoria algorítmica da informação. Ambas versões são constantemente, implícita ou explicitamente, trazidas à baila pelos criacionistas, principalmente os adeptos do Design Inteligente, de forma abusiva e distorcida (teoria da informação e criacionismo). O problema é que existem muitas aplicações da teoria da informação na biologia molecular e, especialmente, na biologia evolutiva, como fica bastante claro ao analisarmos a teoria das máquinas moleculares de Tom Schneider e os trabalhos, do físico teórico, Christoph Adami e, do cientista da computação, Charles Ofria. Em segundo lugar, a afirmação de que não existem, ou não se conhecem, mecanismos naturais, que aumentem o conteúdo informacional dos genomas (E olha que esta quantidade jamais é definida de forma rigorosa pelos criacionistas) é, simplesmente, falsa. Existem muitos mecanismos que fazem exatamente isso, ou seja, aumentam o conteúdo de informação dos genomas, possibilitando a criação de novos genes, e aumentando a complexidade das redes de regulação. Em um post futuro , pretendo aprofundar-me em algumas novas abordagens que explicam como certos mecanismos estocásticos podem contribuir para a complexidade da arquitetura genômica e estrutural dos genes em eucariontes, como a criação de introns, explorando os trabalhos do grupo do biólogo evolutivo, Michael Lynch.

Neste post pretendo dar uma rápida passada neste tema e citar alguns destes mecanismos que, em outra ocasião, serão explorados em artigos mais específicos.

Duplicação gênica:

A existência de genes muito semelhantes, às vezes em estreita proximidade física, que muitas vezes formam “clusters” de chamados genes parálogos, são um dos mais claros exemplos de como novos genes podem surgir. Isto é, a partir de ‘velhos’ genes. Ao estudarmos os mecanismos de duplicação do DNA é possível perceber como determinados processos podem gerar duplicações de determinadas seqüências genéticas. Por exemplo, o chamado DNA polimerase slippage (‘deslise’ da polimerase) e crossing over desigual,
além da ação de elementos genéticos móveis (que podem, ao se multiplicar, levar com eles seqüências de DNA
), são alguns dos mecanismos que podem duplicar segmentos de DNA contíguos. Na realidade, existem evidências de duplicações muito mais extensas, de cromossomos e, até mesmo, de genomas inteiros (por exemplo na origem dos vertebrados), envolvendo processos de poliploidia ou não disjunção meiótica, durante a produção de gametas, ou mitótica, durante a primeira divisão do zigoto. Eventos, como estes, acontecem em nosso tempo de vida em várias espécies, sendo muito bem documentados. Não são meras especulações teóricas ou fantasias dos biólogos. São realidades empiricamente atestadas.

Pesquisadores, como Masatoshi Nei, tem defendido que boa parte da evolução genômica dos seres multicelulares, envolva este tipo de dinâmica, de perda e ganho de genes duplicados. Esta dinâmica, por sua vez, abre espaço à diversificação molecular crescente e especialização funcional contingente. A origem de certas redes de controle genéticas, como a formada pelos ‘clusters’ de genes homeóticos (que possuem a sequência de 180 nucleotídios que codifica o domínio proteico homeobox de interação com o DNA distribuídos co-linearmente nos cromossomos, responsáveis pelo formação do eixo cabeça-cauda em animais e formação de apêndices em vertebrados), são um dos maiores exemplos do poder da duplicação gênica. Além disso, estudos genéticos recentes indicam que existe, intra-especificamente, uma grande quantidade de variação no número de cópias de genes e pseudogenes, inclusive na nossa própria espécie, o que mostra o quão frequente é a ocorrência de duplicação gênica.

Após a duplicação de um gene, pelo menos, três coisas podem acontecer. Em primeiro lugar, este gene pode sofrer mutações que o tornem não funcional. Por exemplo, ao ganhar uma mutação do tipo nonsense, cuja
alteração de um dos nucleotídeos, cria um códon de parada precoce, resultando em uma proteína truncada, não funcional; ou ainda, uma mutação no sítio promotor que pode tornar o gene não transcrito. Neste caso, temos a formação de um pseudogene que acumulará mutações de forma muito mais acentuada, do que o gene original, tendo seus destino guiado pela deriva genética ao aproximar-se da neutralidade funcional. Estes genes, ainda assim, podem adquirir funções novas ao serem, mais tarde, “ressuscitados” por mutações fortuitas.

Em segundo lugar, mutações podem acometer os dois genes parálogos, comprometendo sua função (por exemplo ao diminuir suas taxas de transcrição), apenas parcialmente, fazendo que ambos passem a ser necessários para a homeostasia do organismo, já que individualmente não conseguiriam dar conta do recado. Esta chamada ‘subfuncionalização’ é a porta de entrada para a complexificação de circuitos genéticos que pode conduzir da redundância à subdivisão de papéis funcionais.

Em terceiro lugar, as mutações sofridas pela nova cópia podem criar uma função nova, ou liberar o gene antigo para adquirir uma função nova, através de mutações adicionais e seleção natural, através do processo que se convencionou chamar de ‘neofuncionalização’.

O ponto principal é que a redundância, oferecida pela nova cópia, pode facilitar a diversificação mutacional posterior, além da co-optação funcional por uma outra rede genética, por exemplo, através de mutações nas regiões reguladoras de um dos genes duplicados. Este mesmo mecanismo pode funcionar quando existem duplicações parciais, apenas de segmentos dos genes, como de regiões regulatórias ou de exons, podendo contribuir para a evolução de novos domínios proteicos, o que é fortemente sugerido pelo fato de que muitos destes domínios são codificados por éxons, sendo unidades funcionais distintas (modulares) , inclusive enovelando-se (isto é, adquirindo sua conformação tridimensional, fundamental para a atividade proteica) de forma semi-autônoma.

As mutações, em uma região regulatória duplicada de um gene, podem acabar por fazê-lo interagir com outro fator de transcrição, facilitando sua co-optação por outra rede genética em outro tecido, por exemplo.

Todos estes processos, duplicação (mesmo duplicações múltiplas sequenciais), subfuncionalização, neofuncionalização e co-optação funcional, não são excludentes e podem se suceder, colaborando para criar novos circuitos genéticos e, desta forma, novas características, ao modificarem as propriedades de diferenciação, proliferação, adesividade, secreção de matriz extra-celular e interação hormonal das células e tecidos.

Transferência lateral:

A transferência de material genético lateral, principalmente, através de vírus e bactérias, pode ser outra forma de um organismo adquirir um gene, uma sequência reguladora, ou mesmo, um conjunto de genes já prontinhos, de um única vez. Claro, um processo de evolução subseqüente deverá ocorrer para a ustar funcionalmente os novos genes ao novo organismo.

As transferências de plasmídios, com genes de resistência a os antibacterianos, são bem comuns em procariontes e ilustram a importância da transferência genética lateral. Em eucariontes, incluindo certos animais, possuímos evidências de que genomas de bactérias comensais, como a Wolbachia, foram parcialmente transferidos para os genomas nucleares dos hospedeiros, algo semelhante acontecendo com parte do genoma das bactérias que deram origem as nossas mitocôndrias. Então, neste caso, a simbiose pode ser o passo prévio fundamental para o surgimento de uma nova função,. Assim a transferência lateral pode ocorrer aos poucos, seja ao ponto de incorporar completamente ao genoma alheio, (descartando a necessidade do simbionte ou comensal), seja incorporando o próprio simbionte, ou comensal, como uma organela endossimbiótica, como no caso das mitocôndrias e cloroplastos. Além disso, nosso genoma é repleto daquilo que parecem ser sequências virais dormentes, além de certos tipos de elementos genéticos móveis que só fazem se replicar, sendo verdadeiros “DNAs egoístas”. Esta é mais uma evidência de como a transferência lateral, e os ‘genes saltadores’, não são mera ficção, mas sim uma realidade genômica importante durante a evolução.

Domesticação de elementos genéticos móveis:

Como já foi dito, elementos genéticos móveis como os transposons e os retroposons, são basicamente formas parasíticas de DNA, e só fazem se multiplicar, aumentando o tamanho do genoma, as vezes mutando genes, ao se inserirem dentro deles, além de não codificarem proteínas funcionalmente relevantes para a célula. Porém, uma forma de adquirir novos genes, e novas funcionalidades, é através da mutação e “domesticação” destes transposons e retrotransposons (que ao se copiarem criam um intermediário de RNA), recrutando as proteínas codificadas por estas sequências para funções específicas, ao mesmo tempo que perdem a capacidade de se copiarem e se inserirem livremente no genomas. Exemplos, associados a formação de redes de controle genético e origem do sistema imune de vertebrados, tem sido bastante investigados nas últimas décadas.

Fusão e fissão gênica:

Genes podem tanto se fundir, ou seja, formar um único transcrito que gera uma única proteína; como podem sofrer fissão, dando origem a dois transcritos. Estes processos, principalmente se combinados com a duplicação genica (como alguns estudo em Drosphila sugerem), contribuiem para evolução de novas proteínas, principalmente no caso da fusão de genes dupilcados e na formação de proteínas quiméricas.

Origem de novo:

Outra possibilidade é a de que novos genes surjam a partir de regiões não codificantes, por exemplo, pelo acréscimo de uma sequência reguladora e elementos promotores, em um segmento de DNA,, ajustando em uma janela de leitura apropriada. Estes segmentos promotores, podem ser derivados da inserção parcial de um genoma viral (ou elemento genético móvel) ou causada por uma falha no mecanismo de duplicação e reparo de DNA. Neste caso uma proteína nova pode surgir e ser, posteriormente, alvo da seleção natural. O exemplo mais famoso de aquisição de uma nova enzima, por mutações envolvendo alterações na janela de leitura de uma sequência, é da ‘nylonase’, uma enzima capaz de metabolizar nylon.

Além destes processos, o embaralhamento de éxons e conversão gênica, podem contribuir para a criação de novas funções a partir de genes já existentes, especialmente aqueles derivados de duplicação, artificialmente protegidos da seleção negativa por causa da redundância funcional. Outro ponto, não abordado neste post, é a origem de genes de micro-RNAs e outros RNAs regulatórios. Estes sistemas de controle genético, entretanto, também podem ser explicados por mecanismos naturais, principalmente os associados à replicação de retrotransposons, captura e reinserção, no genoma, de RNAs mensageiros. Em outro post pretendo abordar esta questão mais a fundo. A figura a seguir retirada com fins exclusivamente didáticos ilustra os principais mecanismos comentados acima.

Os exemplos, acima citados, são apenas alguns dos mecanismos investigados por cientistas que buscam explicar, como as novidades evolutivas surgem e evoluem,. Estes processos lançam luz aos mecanismos de evolução biológica, sobretudo, se combinados com a investigação de processos estocásticos (associadas a diminuição na população efetiva e consequente relaxamento da seleção purificadora), além de certas tendenciosidades nos tipos de erros dos mecanismos de duplicação, reparo de DNA e divisão celular. Estes processos, em conjunto, podem gerar a tremenda complexidade estrutural e funcional dos genomas de eucariontes, principalmente dos multicelulares.

Voltando a questão dos que negam a evolução, o que mais me impressiona é o fato da ideia de duplicação genética ter um pedigree relativamente antigo. Susumu Ohno, no começo dos anos setenta, foi o primeiro a especular e mostrar evidências para a importância da duplicação de genes e formação de pseudogenes. Por´´em, desde a década de trinta já haviam especulações sobre o assunto, e indícios cromossômicos. Este, portanto, não é um conhecimento inteiramente novo e guardado a sete chaves. Claro, agora, através de nossa habilidade de sequenciamento de genes (e, mesmo, genomas inteiros) com grande precisão, somos capazes de investigar em detalhe este e outros processos. Porém, este fato não diminui o paradoxo associado a negação veemente de que processos e mecanismos com estes existam e sejam, há décadas, alvo de pesquisa científica. Os cientistas sabem, e investigam a fundo, diversos mecanismos naturais que geram nova informação genética. Isto é um fato.

A insistência no discurso de que os biólogos evolutivos não conhecem nenhum mecanismos capaz de criar novas funcionalidade, aumentar a complexidade (ou mesmo, o conteúdo informacional de um genoma, ou ser vivo) não pode ser sustentado de forma honesta. Apenas a ignorância e a desonestidade intelectual podem justificar tal atitude. Veja a Parte II


Esta lista de processos que explicam a origem de novos genes é inspirada no artigo do portal Scitable:

Para saber mais sobre a teoria da informação na biologia molecular e evolução:

http://www.ccrnp.ncifcrf.gov/~toms/papers/ev/

http://www.ccrnp.ncifcrf.gov/~toms/papers/shannonbiologist/

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Referências:

  • Adami C. Information Theory in Molecular Biology Physics of Life Reviews 1 3-22 (2004).

  • Force A, Lynch M, Pickett FB, Amores A, Yan YL, ostlethwait J. Preservation of duplicate genes by complementary, degenerative mutations. Genetics. 1999 Apr;151(4):1531-45. Review. PubMed PMID: 10101175; PubMed Central PMCID: PMC1460548.

  • Hotopp JC, Clark ME, Oliveira DC, Foster JM, Fischer P, Torres MC, Giebel JD, Kumar N, Ishmael N, Wang S, Ingram J, Nene RV, Shepard J, Tomkins J, Richards S, Spiro DJ, Ghedin E, Slatko BE, Tettelin H, Werren JH. Widespread lateral gene transfer from intracellular bacteria to multicellular eukaryotes. Science. 2007 Sep 21;317(5845):1753-6. Epub 2007 Aug 30. PubMed PMID: 17761848.

  • Kasahara M. The 2R hypothesis: an update. Curr Opin Immunol. 2007 Oct;19(5):547-52. Epub 2007 Aug 17. Review. PubMed PMID: 17707623.

  • Long M, Betrán E, Thornton K, Wang W. The origin of new genes: glimpses from the young and old. Nat Rev Genet. 2003 Nov;4(11):865-75. Review. PubMed PMID:14634634.

  • Lynch M, Conery JS. The origins of genome complexity. Science. 2003 Nov 21;302(5649):1401-4. PubMed PMID: 14631042.

  • Nam J, Nei M. Evolutionary change of the numbers of homeobox genes in bilateral animals. Mol Biol Evol. 2005 Dec;22(12):2386-94. Epub 2005 Aug 3. PubMed PMID: 16079247; PubMed Central PMCID: PMC1464090.

  • Nei M, Rooney AP. Concerted and birth-and-death evolution of multigene families. Annu Rev Genet. 2005;39:121-52. Review. PubMed PMID: 16285855; PubMed Central PMCID: MC1464479.

  • Perry GH, Yang F, Marques-Bonet T, Murphy C, Fitzgerald T, Lee AS, Hyland C, Stone AC, Hurles ME, Tyler-Smith C, Eichler EE, Carter NP, Lee C, Redon R. Copy number variation and evolution in humans and chimpanzees. Genome Res. 2008 Nov;18(11):1698-710. Epub 2008 Sep 4. PubMed PMID: 18775914; PubMed Central PMCID: PMC2577862.

  • Schneider TD. Evolution of biological information. Nucleic Acids Res. 2000 Jul 15;28(14):2794-9. PubMed PMID: 10908337; PubMed Central PMCID: PMC102656.

  • Zhang J (2003). “Evolution by gene duplication: an pdate”. Trends in Ecology & Evolution 18 (6): 292–8. doi:10.1016/S0169-5347(03)00033-8.

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Evolução cultural e seleção natural na construção de canoas.

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

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

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

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

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

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

Referências:

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

Qual será o futuro genético da humanidade?

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Metodologia:

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

Taxa de mutação de substituição de bases:

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

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

Pressão universal de mutação em direção a A+T:

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

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

Inserções e Deleções:

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

que os dois tipos de alterações são igualmente deletérios.

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


Custo dos introns:

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

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

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

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

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

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

Elevada taxa de mutação por geração:

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

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

O custo cumulativo das mutações somáticas:

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

Conseqüências de longo prazo das mutações nas linhagens germinativas:

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

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

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

Lynch termina este artigo com o seguinte parágrafo:

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

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



Referências:

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

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É natural levar vantagem, certo?

Decisões fortuitas e fatos insignificantes podem gerar conseqüências importantes e duradouras. Em sua autobiografia, Charles Darwin diz que sua mais importante viagem ao redor do mundo (em que vasculhou a costa brasileira e reuniu indícios para a teoria da seleção natural) dependeu “de uma circunstância ínfima (…) e de uma coisa tola – o formato do meu nariz”. Gerson – o Canhotinha de Ouro – brilhou no nosso futebol dos anos 60 e 70, com visão de campo e lançamentos precisos que fizeram seus companheiros de equipe, como Jairzinho, Tostão e Pelé, grandes artilheiros. Mas foi a atuação em um comercial de TV que imortalizou seu nome na forma da lei, a “Lei de Gerson”: o importante é levar vantagem em tudo. Gerson merece ser lembrado pelo que fez de grandioso, e, não, por sua ligação acidental com a lei da falta de caráter, mas nem sempre temos controle sobre os efeitos das pequenas decisões que tomamos (um tema espetacularmente tratado no filme de Tom Tykwer, “Corra, Lola, corra”).


Desvio de recursos e malas suspeitas são noticiadas hoje com
uma novidade no Brasil, um pecado circunstancial do atual governo ou de seus partidos aliados. No entanto, além da lama sabidamente respingada na oposição, a popularidade e longevidade da Lei de Gerson derruba essa hipótese em definitivo. O caixa dois nas campanhas eleitorais é uma triste tradição, e precisamos de uma revolução cultural, tanto quanto trocar as raposas que tomam conta do nosso já pauperizado galinheiro. A ciência também tem sua equivalente da lei da vantagem, e, como a de Gerson, transcende as particularidades do aqui e agora. Segundo algumas teorias em voga entre os cientistas, “levar vantagem em tudo” pode ser uma característica intrínseca
das interações humanas, um corolário da seleção natural em populações de organismos (as chamadas “estratégias
evolutivamente estáveis”) ou até a própria lei da vida! Não escondo meu preconceito contra esses três níveis de
aplicação da canalhice nas ciências naturais, mas, antes de criticar, é preciso compreender.


Darwin tem lá sua parcela de culpa no sucesso da lei natural
da vantagem. A metáfora darwiniana da “luta pela existência” abriu caminho para uma série de equívocos, culminando no infeliz termo de Spencer, “sobrevivência do mais apto”. Se apenas o mais apto sobrevive, não é justo bancar o Dick Vigarista na maluca corrida pela vida? Darwin nunca quis dizer isso, mas o conceito pegou, embalado pelo individualismo da sociedade industrial. Sucesso reprodutivo diferencial virou sinônimo de competição desenfreada no mundo natural. Um desdobramento recente desse modo pouco generoso de ver a vida é a psicologia evolutiva (EP), que, entre outras pérolas, prega a capacidade inata que nós humanos temos de trapacear e evitar ser trapaceados. Nas palavras de John Tooby e Leda Cosmides, representantes máximos da EP, “debaixo de um nível de variabilidade superficial, todos nós partilhamos certas suposições sobre a natureza do mundo e as atitudes humanas em virtude de circuitos universais de racionalidade”. Traduzindo a fala pomposa de Tooby e Cosmides, agimos como agimos por uma dádiva (ou uma praga) da natureza, não por mera escolha. Perdoai os colegas faltosos, ó membros da CPI, pois eles não sabem o que fazem!


Os teóricos do espertalhão universal (ou seu oposto
igualmente falacioso – o humano naturalmente moral) esquecem o componente histórico tanto de organismos quanto das relações sociais entre eles, a que chamamos contingência. Sim, há muito planejamento nas interações sociais, mas os planos se sobrepõe, e, no jargão das ciências cognitivas, os comportamentos observados “emergem” de atividades contextualizadas. Uma boa analogia é o planejamento urbano. Nomes de ruas podem seguir algum padrão, facilitando a vida de quem busca o endereço. Vejam, então, o caso de um bairro da região de Venda Nova, em BH. Algum amante da literatura decidiu dar às ruas nomes das grandes penas da língua portuguesa: estão ali imortalizados Humberto de Campos, Castro Alves, Camões. Outro, mais afeito às geografias, deu a outras ruas, aleatoriamente, nomes das grandes capitais do mundo. Como se não bastasse a curiosa mistura de literatos e cidades, um terceiro administrador (eu desconfio, com algum senso de humor) entrecruzou, em meio às fileiras de capitais, uma Rua Inglaterra, uma Rua Argentina e uma Avenida Universo!

As relações que se estabelecem nas várias sociedades de
seres vivos seguem algo muito parecido, baseado na ações contingentes dos organismos – que podemos chamar de “atividade situada” – e na história particular dessas relações. Esse é o nível mais iluminador para entendemos o que acontece, e não um suposto elemento universal embutido na cabeça de cada membro da sociedade. A não ser, é claro, que queiramos responsabilizar a natureza pelas relações que estabelecemos uns com os outros, sejam elas lícitas oum ilícitas. Eu gosto de “Avenida Universo”. É um nome bem bonito, desde que todas as vias públicas não tenham esse mesmo nome, certo?

Publicado no jornal O Tempo, 07/09/05 – ver artigo também aqui.

Penas, para que te quero?

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


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

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

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

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

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


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

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

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

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

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

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

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


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

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

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

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

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


Referências:

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

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

Conservação e mudança do humano

A evolução orgânica tem ocupado merecido espaço no jornal. O tema de fato é quente, não pela crescente afirmação da biologia como ciência da vez”, mas pelo momento de dupla celebração: o bicentenário de Darwin e os 150 anos de sua obra maior, A origem das espécies. Mas como o assunto é suficientemente controverso (entre especialistas) e pouco debatido (na sociedade), as notícias tendem a ser espetaculares e superficiais, bastando, para sua legitimação, a menção à autoridade científica.


Cito a recente matéria Evolução humana chegou a seu ápice, diz geneticista” (O Tempo, 10/10/2008), não por ser mais problemática que as outras, mas por servir na medida para o que estou dizendo. O texto apresenta o biólogo Steve Jones anunciado “o fim da evolução humana”. Mas essa é uma tese antiga de Jones, e, em outras versões, de muitos outros. Quem ouviu falar do movimento eugenista, que, patrocinado pela Rockfeller Foundation, barrou a entrada de milhares de imigrantes nos EUA para não degenerar a raça”, conhece uma das piores versões.


Jones não é eugenista, pois não advoga o “melhoramento da espécie”, apenas diz que tal melhoramento não ocorrerá mais. Ainda assim, a matéria peca em não situar o discurso do cientista. Ele não diz (nesse programa da BBC, ou antes) que a humanidade parou de evoluir, mas que o “mundo ocidental”, graças aos avanços tecnológicos, está permitindo a “sobrevivência do mais fraco”. Ele faz, inclusive, uma comparação interessante, ao dizer que a disseminação da AIDS foi tão contida entre os chimpanzés quanto será pelos povos africanos, pois ambos, ao contrário de anglos, saxões e europeus, são naturalmente selecionados para a resistência ao HIV!


Eu até admiro o amor de Jones pela divulgação da ciência, mas sigo inúmeros outros cientistas em não engolir essa história de “ápice evolutivo”. Isso não depende de ajuntar fatos, mas do que se entende por evolução. Para Jones, se os fracos procriam, não seleção natural. Mas como diz meu amigo Chris Stringer (principal efensor da origem africana da humanidade), quem desse uma espiada nos europeus há 50 mil anos veria uma raça de seres altos, fortes e de cérebro grande ser desbancada por criaturas franzinas recém-chegadas da África: nós. Evolução não é ficar mais forte, mais inteligente ou (como se diz no jargão do laboratório) mais complexo”. Milhares de espécies de parasitas evoluíram a partir de seres melhor equipados. Trata-se, antes, da conservação ou mudança do modo de vida, sempre em correspondência com o ambiente. Muda a relação, surge uma nova linhagem. Não muda, todas estão bem, obrigado.

Jones tem razão numa coisa. Humanos têm o incorrigível hábito de migrar por todo o globo e procriar desavergonhadamente entre si, sem ligar muito pra raça, religião ou preferência política do parceiro. Isso cria uma estabilidade evolutiva um fluxo gênico” – mas cria outra coisa, também: a convivência incessante entre povos os mais variados, partilhando, desse jeito, seus modos de vida. Nada mais promissor.

Artigo de Beto Vianna publicado no Jornal O Tempo, 11/10/2008

Inteligente o quê?

Em um 1809 nem tão distante assim, o reverendo William Paley publica a sua teologia natural, repisando um argumento antigo em nossa cultura: as belas e adaptadas formas da natureza são belas e adaptadas demais para terem surgido por mero acaso, então, algum arquiteto inteligente deve estar por trás de tudo. Idade por si só não torna um argumento ruim, tanto que hoje, após dois séculos de construção e consolidação das teorias evolutivas, estamos nós aqui às voltas com essa mesmíssima questão.

A notícia: a respeitada instituição científica norte-americana Smithsonian vai abrir um de seus auditórios para a apresentação do vídeo “Planeta Privilegiado”,após uma contribuição do Discovery Institute (que produziu o vídeo) de U$16.000 para os cofres da entidade. O conteúdo do vídeo: a tese de Paley em versão moderna e high-tech, apelidada de “teoria do design inteligente”. Contribuições para uma instituição científica são sempre bem-vindas, mas não teríamos aqui um caso clássico de venda de alma? Há quem considere a tese de um arquiteto divino uma alternativa científica, com todos os méritos. Não é. Eu admito que esse é um assunto delicado, pois esbarra nas crenças religiosas de muita gente, mas é preciso separar o joio do trigo, e nisso eu tenho a grande maioria das religiões ao meu lado. Toda visão de mundo pode e deve ser respeitada, assim como, do mesmo modo, deveríamos respeitar as fronteiras entre os domínios de atividade humana. Para uma explciação ser considerada científica, é necessário que passe por certos procedimentos de validação, e o argumento da incredulidade pessoal (aquele que diz “isso é tão improvável que precisa ter uma causa milagrosa”) certamente não é um deles. Acontece que essa é justamente a proposta do design inteligente, um nome que chega a ser irônico para designar tanta preguiça intelectual.

Quem acha que esse é um quiprocó exclusivo de nossos vizinhos ianques pode estar perigosamente enganado. Nós, brasileiros, desfrutamos uma relativa imunidade ao equivocado debate entre religião e ciência – alimentado nos EUA pelas piores razões políticas – mas a tese do design inteligente ganha alguns adeptos pelo mundo levantando bandeiras bem mais honrosas: a liberdade da expressão e a igualdade de direitos. Nessa perspectiva, que mal pode haver em ensinar o design inteligente em nossas escolas e universidades, em pé de igualdade com “outras teorias”? Antes que o seu político local corra para apoiar a iniciativa, é bom lembrá-lo que essa é apenas mais uma maneira do conservadorismo insinuar-se pelas portas dos fundos da educação científica. E isso não é só desastroso: é burro.

Publicado no jornal O Tempo, 13 de junho de 2005

Pobre Darwin

Charles Darwin deu origem a uma reviravolta na história intelectual, e isso não tem a ver com a existência de Deus ou a origem do homem. É algo mais fascinante: a aceitação, pela comunidade humana (especialmente os cientistas), do fenômeno da evolução, ou seja, a história da diversificação dos seres vivos na Terra. Darwin, além disso, propôs uma teoria, a seleção natural, para explicar a evolução. É isso o que a ciência faz: propõe mecanismos explicativos para fenômenos aceitos pelos cientistas que, postos para funcionar, irão gerar o tal fenômeno. Se você aceita as coerências operacionais da seleção natural, ela irá explicar o fenômeno da evolução. Darwin foi impecável ao propor sua teoria. Não apenas aceitamos a evolução, mas o modo engenhoso e generoso de Darwin tratá-la mudou a atitude dos cientistas e de todos nós.


E o que a evolução, por um lado, e as teorias científicas, de outro, têm que ver com ateísmo, agnosticismo ou crenças religiosas? Essa é uma discussão não só inútil, mas enganosa. Ela confunde as pessoas ao confundir domínios explicativos. Ateísmo ou crença são posicionamentos humanos em relação à espiritualidade, e não elementos de teorias científicas. Se o fenômeno da evolução implica que repolhos e seres humanos descendem de outros seres, isso faz parte do fenômeno tal como descrito pelos cientistas, sem fazer referência a elementos estranhos ao fenômeno. Isso não quer dizer que a teoria é “agnóstica” sobre se uma divindade criou isso ou aquilo, pois, nesse caso, o cientista estaria dizendo que há algum aspecto do fenômeno que a teoria não pode explicar, e o objetivo das teorias é explicar o fenômeno! Quando um cientista encontra um aspecto do fenômeno que a teoria não explica mais, ele propõe outro mecanismo, muda de teoria. Assim fez Copérnico depois de Ptolomeu, Einstein depois de Newton.

Darwin ainda não foi totalmente digerido por nós, e duas barreiras nos impedem de saborear o naturalista inglês. A primeira é o dogmatismo de alguns cientistas, que transformou o legado darwiniano em explicações reducionistas da evolução. Ainda hoje, estudantes repetem nas aulas de biologia, sem nunca ter lido Darwin, que a “competição” causa a diversificação dos seres vivos. Como se organismos (ou genes) tratassem de competir por alguma coisa! A outra barreira é a absurda oposição entre darwinismo e religião. Alguns cientistas põem lenha nessa fogueira, dizendo-se ateus (o que é legítimo) e vinculando seu ateísmo ao darwinismo (o que é um contra-senso). Do outro lado dessa moeda, pessoas mal-intencionadas (pois seu objetivo é político, e não acadêmico) ocupam espaço na mídia mundial com o “criacionismo científico” e a “teoria do design inteligente”. Nem vale a pena mostrar a incoerência de chamar essas bobagens de “científico” ou de “teoria”. Jesus disse: “a César o que é de César”. Pois que César fique em Roma, e deixe nós, gauleses, em paz.

Publicado no jornal O Tempo, 08/09/09