Referências:

• Harmon, Katherine ‘Tentando salvar os diabos-da-tasmânia: Sequenciamento do genoma desses animais sugere novo tratamento contra o câncer contagioso’ Scientific American Brasil, Noticias 2014.

• Jones, Menna E. e McCallum, Hamish Câncer do diabo: Tumor contagioso ameaça dizimar o famoso diabo-da-tasmânia. Tumores transmissíveis podem surgir também em seres humanos? edição especial – Scientific American Brasil – Ed. nº 56, 2014.

• ‘Cientistas descobrem causa de tumor que ameaça diabo-da-Tasmânia‘ BBC Brasil Atualizado em 1 de janeiro, 2010.

• ‘Colônia de diabo da Tasmânia se mostra imune a tipo de câncer: Marsupial exótico, que vive em ilha australiana, está sendo dizimado por epidemia de um câncer contagioso’, Estadão/Planeta (via Associated Press) 10 de março de 2010

• Diabo-da-tasmânia In: Wikipédia: a enciclopédia livre. Acesso em março de 2014.

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Publicado originalmente em 9 de março de 2014 em O homem pode tanto quanto sabe

Continuaremos nosso estudo sobre a interpretação (leitura, análise) de uma árvore filogenética. Para o primeiro texto clique aqui.

 

Pequeno Atlas ilustrado da Anatomia de uma árvore filogenética:

1. Primeira coisa a ser compreendida:

Pois bem, a árvore não indica linearidade nos eventos de evolução. Presumir isso é errado.Uma árvore não é uma escada:

É por isso que a imagem abaixo, apesar de ter virado um símbolo popular, está errada:

O ser humano não passou pela “fase” de “Australopitecus”, assim como Australopitecos afarensis não é ancestral direto de Homo sapiens. Todas as espécies mostradas acima são OTUs (nós terminais) e não nós ancestrais do Homo sapiens. Essa figura mostra uma escada e não uma árvore.

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Veja a figura abaixo:

Agora sim, vejam como muda de figura. Todas as espécies acima possuem um ancestral comum (A). Enquanto que B é o ancestral hipotético mais recente das linhagens derivadas de C e de homo habilis; e C é o ancestral hipotético mais recente das linhagens derivadas de D e Homo erectus; e D, por sua vez, é ancestral hipotético mais recente de Homo neandertalenses e H. sapiens. A linhagem dos Australopitecus se divergiu de A originando as espécies de australopitecos (como A. afarensis) enquanto que o ancestral hipotético B originou a linhagem da espécie H. habilis e a linhagem do ancestral hipotético C. Nem todas as espécies que fazem parte dessa história estão representadas na figura. Ou seja, o que estamos vendo nessa figura é simplesmente a representação da história evolutiva das OTUs presentes. Portanto devemos ter em mente que pedacinhos da história estão faltando na representação e não exatamente B, C e D são os únicos ancestrais hipotéticos da história.

2. Segunda coisa a ser compreendida:

As árvores mostram relações de ancestralidade comum dos táxons terminais e sua história evolutiva em relação ao tempo.

 

3. GLOSSÁRIO DE TERMOS:

Utilize os números para se dirigir diretamente ao tema que deseja:

3.1. Clados

3.2. Ramos

3.3. Táxons terminais, unidades terminais ou OTUs

3.4. Relações de ancestralidade comum

3.5. Relações ancestral-descendente

3.6. Nós

3.7. Topologia de OTUs

3.8. Especiação: cladogênese e anagênese

3.9. Raiz

3.10.Topologia da árvore

3.11. Distância entre os ramos das OTU

3.12. Comprimento de ramos

3.13. Espessura dos ramos

3.14. Grupo interno, grupos externos e grupo irmão

3.15. Dicotomias

3.16. Politomias

3.17. Características indicadas nas árvores

 

3.1 Clados: Agrupamento que inclui um ancestral comum e todos os seus descendentes (viventes e extintos). Os clados são grupos monofilético, como você pode constar na figura abaixo:

As figuras A e B são grupos monofiléticos e, portanto, clados. As figuras C e D não são clados, pois são grupos merofiléticos (C é um grupo polifilético e D um grupo parafilético). Clados possuem relação de hierarquia: estão representados um dentro do outro, veja uma explicação mais detalhada aqui.

Hierarquia de clados: o clado amarelo está contido no clado azul que por sua vez está contido no clado rosa:

obs: Clado x Táxon: Nem sempre um táxon corresponde a um clado. Táxon é uma unidade taxonômica do nosso sistema de classificação biológica (a taxonomia). São os reinos, filos, classes, ordens, famílias, gêneros, espécies e demais grupos dentro de cada um dos mencionados (suprafamília, superfamílias, infragêneros, tribos, etc). Nem todo táxon corresponde a um clado porque no início da taxonomia não havia preocupação com a descendência comum entre os indivíduos do grupo. A taxonomia surgiu anteriormente à teoria da Evolução e, portanto se baseava somente em semelhanças entre os organismos. Como já vimos, muitas semelhanças podem ser homoplasias e não indicar descendência comum. Somente após a teoria da Evolução as preocupações com ancestralidade e descendência comum dos grupos foram incorporadas à Taxonomia. Mesmo assim com muita resistência visto que as ideias de Evolução sempre suscitaram medo nos mais conservadores. Até hoje ainda existem taxonomistas que não se preocupam com as questões de descendência comum de seus grupos e alguns possuem até mesmo visões fixistas baseadas em criacionismo. O trabalho filogenético é relativamente recente e aos poucos traz evidências que sustentam ou não os táxons como grupos monofiléticos. É um trabalho que leva tempo. Alguns táxons tradicionais se mostraram merofiléticos nos estudos filogenéticos, como: invertebrados, vertebrados, peixes e répteis. Esses clados vêm sendo alterados para conceitos mais próximos ao que a inferência filogenética sugere. A taxonomia passa por um momento de profunda mudança, não somente em suas bases técnicas, como também em sua forma de enxergar a classificação biológica agora com o auxílio da luz da evolução.

 

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3.2 Ramos: representam as linhagens descendentes do ancestral.

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3.3 Táxons terminais (ditos também “nós terminais” ou OTUs = unidades taxonômicas terminais) representam as entidades em estudo. Que pode ser um indivíduo (haplótipo), uma população, uma espécie, um gênero, uma família…

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3.4 Relações de ancestralidade comum: 

A,W e B  possuem relação de ancestralidade comum. Esse é o tipo de relação apresentada em árvores filogenéticas visto que encontrar o ancestral ou nomear uma espécie como ancestral de outra não é possível metodologicamente, mais informações na obs. abaixo.

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3.5 Relações ancestral-descendente:  

A e B são descendentes de W. Metodologicamente é impossível de se provar a existência de uma relação desse tipo entre espécies conhecidas. Veja abaixo.

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3.6 Nós (nó ancestral e nós internos): cada nó representa um ancestral hipotético comum compartilhado.

 

obs: Um nó pode representar um fóssil? Podemos encontrar relações ancestral-decendentes entre duas espécies conhecidas em uma árvore filogenética?

Uma OTU que for uma espécie composta somente por fósseis (se existirem exemplares vivos o raciocínio não faz sentido) pode corresponder, eventualmente, a um conjunto de indivíduos que fizeram parte de uma espécie que foi ancestral de um outro grupo do cladograma. Entretanto, caso seja observado uma autapomorfia nas espécies fósseis a hipótese cai por terra. Por quê? Porque todos os caracteres apomórficos surgidos em uma espécie ancestral são herdados por todas as espécies descendentes (pode haver perda secundária em alguns casos, claro) e passa a ser uma simplesiomorfia do grupo (condição primitiva compartilhada). Se o fóssil em questão possui uma autapomorfia obviamente ele não é ancestral, mas sim um ramo terminal e a relação é do tipo descendência comum. Por outro lado pode ser que o fóssil em questão não possua autapomorfias, nesse caso temos duas possibilidades: (1) as autapomorfias existem mas não foram preservadas nos fósseis em questão ou não foram detectadas pelo pesquisador ou (2) a espécie fóssil em questão é de fato, ancestral. Entretanto, como se pode notar, provar a segunda hipótese é praticamente impossível. Metodologicamente não há nenhum meio de se mostrar que uma determinada espécie fóssil é a ancestral de um grupo em questão e que a relação é do tipo ancestral-descendente. Assim, “nós” não são fósseis, são ancestrais hipotéticos. Os fósseis, quando presentes em uma filogenia são OTUs.

disse que os nós são os ancestrais e aqui temos um pedacinho de um ramo sendo chamado de ancestral… Por quê? Esboçarei um raciocínio no adendo abaixo.

Um breve adendo:

Filogenia e as entidades discretas e contínuas

 

É bom sempre trabalharmos com a ideia de linhagem, assim compreenderemos melhor do que se ficarmos pensando em unidades discretas. Ao princípio temos a ideia de que a inferência filogenética trabalha com unidades discretas: espécies, gêneros, famílias. Se estamos trabalhando com um grupo de 20 espécies parece que temos um conjunto de dados discretos não é? Logo de onde vem esse ancestral de C? A lógica dos dados discretos concluiria que o ancestral azul deu origem às espécies B e C e pronto. O ancestral azul só pode ser uma espécie extinta que não se sabe qual e pronto, podemos sair e caçar o nosso “elo perdido”. A filogenia nunca é completa, sempre se falta pedacinhos da história que não são levados em consideração.

 

Além disso espécies não são exatamente unidades discretas. As espécies são tentativas de se colocar as linhagens (entidades contínuas) em limites discretos. Às vezes é muito fácil se considerar espécies como discretas, pois os intermediários foram perdidos, assim, obviamente, as espécies mais próximas serão muito diferentes e a ideia de que são entidades discretas será muito forte e têm-se a impressão de realmente estar se “vendo” espécies. Mas essa sensação é ilusória. Indivíduos que morreram há mil anos atrás podem ser da mesma espécie que a em questão e você não os está vendo. Mudanças podem ter ocorrido, inclusive anagênese (veja abaixo). “Uma espécie é a soma de todos os indivíduos e de suas relações de parentesco desde a sua origem” (Amorim) e são também, entidades transtemporais, como a própria filogenia. Nós não vemos filogenia, não vemos linhagens e não vemos espécies, nós sequer vemos indivíduos! O que está ao alcance de nossa análise são semaforontes (Henig 1966), isto é, uma “forma particular de um indivíduo ao longo de determinadas etapas de sua vida” (Amorim). Ou seja, se vê um ovo, um filhote, uma larva, um adolescente, uma pupa, um jovem, um adulto ou um idoso e nunca um indivíduo completo. O indivíduo é a soma de todo seu desenvolvimento contínuo.

 

O que se vê em uma filogenia é um corte temporal dela. É por isso que conseguimos representar tudo por um conjunto de unidades isoladas: porque interrompemos a conexão temporal entre elas por um corte. A Filogenia lida com linhagens que são contínuas e nós as cortamos em OTUs que na nossa cabeça são discretas. Assim quando você olhar para uma árvore filogenética imagine linhagens evoluindo. As OTU são um corte no tempo, tenha isso em mente. Todo aquele ramo de C é uma linhagem contínua e em algum local desse ramo nessa linhagem algum taxonomista cortou o ramo e disse: “aqui é a espécie C”.

 

Veja aqui minha reflexão sobre a diferença entre árvores genealógicas e filogenéticas (está no último parágrafo do exemplo com árvore genealógica ilustrando grupos merofiléticos e homofiléticos) em destaque.

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3.7  Topologia das OTUs: ao se girar o cladograma a história evolutiva não se altera. Por exemplo, ambas as árvores abaixo mostram que D e o ancestral do grupo (C (A + B)) foram os primeiro a se divergir; e posteriormente se divergiram C e o ancestral hipotético do grupo (A + B).

Assim é indiferente se a sequência dos táxons representados é, por exemplo, (C + (A+B)) ou (C + (B+A)) ou ainda ((B + A) + C) ou ((A+B) + C). A história evolutiva contada por todos esses exemplos é a mesma. Da mesma forma, no cladograma de mamíferos, é indiferente colocar Homo no alto, como o último ramo à esquerda ou o primeiro à direita… 

Hum? O que será que a diferença do comprimento de ramos quer dizer? (Eu sei que é apenas um desenho artístico).

 

Outro exemplo (a inversão dos ramos abaixo não altera a história evolutiva):

Ótima metáfora para exemplificar alivre rotação dos ramos em cada nó.

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3.8 Especiação: cladogênese e anagênese.

Especiação por cladogênese. Cada novo ramo representa um evento de especiação por cladogênese, ou melhor, divergência entre duas linhagens.

Especiação por anagênese: é a parte do processo evolutivo onde a forma se modifica ao longo do tempo podendo modificar uma espécie ao longo do tempo. Assim, dependendo da quantidade de mudança a espécie, outrora A, pode ser considerada outra espécie B. Entretanto não houve um processo dicotômico, como A formando B e C. Na cladogênese uma espécie (A) origina duas espécies diferentes: B e C. Ou seja, a cladogênese é o evento da quebra de uma espécie ancestral em duas espécies descendentes.

 

obs: Note que os conceitos anagênese e cladogênese não são causados sempre por um fenômeno natural em si, muitas vezes isso é uma questão filosófica. O problema é claro: espécies não existem como entidades naturais. Espécie é uma invenção humana para facilitar o estudo da vida, derivada da necessidade humana de estudar o que é discreto. Espécies são cortes temporais nas linhagens e linhagens são entidades transtemporais e contínuas.

 

Vamos pensar em linhagens: as linhagens acumulam modificações e estão sempre sofrendo alteração em suas frequências gênicas (ou seja, estão evoluindo). Logo, estão sempre passando por transformações. Em alguns casos as linhagens podem se isolar, por motivos geográficos por exemplo. Ao se isolarem as linhagens continuam sofrendo modificações. Entretanto essas modificações são acumuladas diferenciando as linhagens em duas direções distintas. Em alguns casos se as linhagens separadas se reunirem novamente e as diferenciações forem pequenas elas podem se hibridizar e continuarem seguindo o mesmo caminho evolutivo. Em alguns casos, entretanto, as linhagens estão tão diferentes que não seguem mais o mesmo caminho evolutivo e não se hibridizariam caso se reencontrassem.

 

Poderíamos pensar que sempre que há interrupção do fluxo gênico entre duas populações há a formação de duas espécie e, portanto, cladogênese. Pronto, resolvemos o problema de quando se separar espécies. Em teoria é lindo, entretanto não é tão simples assim. Primeiramente porque a taxonomia não consegue trabalhar assim e segundo porque medir a interrupção do fluxo gênico entre populações não é tão simples quanto parece e só serve para espécies viventes. (1) a taxonomia trabalha com variados caracteres (principalmente morfológicos) para separar espécies. Pode ser que a mesma linhagem que jamais sofreu interrupção em seu fluxo gênico entre as populações e tenha evoluído por “anagênese” seja considerada duas espécies pelos taxonomistas justamente por causa de suas diferenças morfológicas e até mesmo genéticas ao longo do tempo evolutivo (por exemplo considerarem o estado A como uma espécie fóssil e o estado B como uma espécie próxima vivente). Não é possível saber se o processo evolutivo foi um processo gradativo experimentado por toda a linhagem que a diferenciou ou se houve dicotomia no processo (a filogenia não te mostra isso). Se os pesquisadores considerarem duas OTUs, automaticamente uma cladogênese é criada na inferência filogenética, não sendo possível avaliação do processo de especiação em si. Cladogênese e anagênese dependem do conceito e das delimitações de espécie existentes. (2) somente se pode estudar fluxo gênico entre duas espécies que são recentes, e existem muitos problemas metodológicos. Primeiro, existem espécies ditas em “anel” que se hibridizam ao longo do anel mas não em suas extremidades. Segundo, a transformação bacteriana, por exemplo, é um fluxo de genes entre seres às vezes completamente distintos entre si. Algumas vezes só não há fluxo gênico devido ao isolamento temporário que pode se acabar e as espécies continuarem a se hibridizar sem problemas. Algumas espécies se hibridizam em algumas regiões geográficas e não em outras… ou seja, essas questões são mais filosóficas e dependentes de conceitos artificiais criados pelos humanos do que realmente fenômenos naturais.

 

Anagêneses não aparecem em filogenias. A partir do momento que duas otus são consideradas somente se pode chegar pelo método filogenético a uma cladogênese. Lembremo-nos que somente as relações do tipo descendência comum podem ser estabelecidas pela filogenia. Sobre relações do tipo ancestral-descendente (como a anagênese) jamais haverá certeza a será difícil comprová-las.

 

A própria especiação não pode ser estudada sem se notar que ela depende do conceito e da separação de espécie. A própria especiação é um conceito que não reflete um fenômeno natural, mas sim uma convenção humana. Na natureza só existe linhagens e derivando. E só deixo isso claro aqui para que pensemos que todo o trabalho sempre se esbarra em questões metodológicas e filosóficas.

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3.9. Raiz: é a representação hipotética da mais antiga linhagem do grupo, é o nó que deu origem a todos os terminais. A polarização dos carácteres permite determinar a raiz da árvore.

 

No caso de uma árvore com dois OTUs, a criação de somente uma árvore enraizada é possível. Mas esse número se altera dependendo do número de OTU’s, por exemplo para 3 OTUs teríamos 3 possibilidades de enraizamento com as seguintes topologias:

Para mais OTUs teremos :

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3.10 Topologia da árvore: Padrão de enraizamento da árvore.

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3.11 Distância entre os ramos das OTU (simbolizadas pelas setas abaixo) costuma ser homogênea e não tem significado:

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3.12 Comprimento dos ramos:

Cladogramas (como a primeira imagem) não possuem significado de comprimento dos ramos. Entretanto em Filogramas o comprimento dos ramos pode significar quantidade de mudança genética ou tempo decorrido. Cheque a legenda da árvore ou o texto (a informação deveria sempre está contida na legenda da árvore). Veja mais sobre a questão aqui.

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3.13 Espessura dos ramos. Nem sempre os ramos diferem em espessura. Quando isso ocorre o autor deverá indicar o que está representado, por exemplo, pode se tratar de uma representação da estimativa da biodiversidade em um grupo. Como o exemplo do Filograma abaixo:

No exemplo a cima, retirado de  Grimaldi & Engel 2005, a espessura dos ramo é uma estimativa da biodiversidade passada e atual dos grupos de besouros representados.

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3.14. Grupo interno, grupos externos e grupo-irmão

Grupo interno (ingroup): É o grupo alvo do trabalho.

Grupos externos (outgroups): Grupos relacionados evolutivamente ao grupo interno utilizado no trabalho. O grupo externo é usado para se polarizar as séries de transformação.

Grupo irmão (sister group): é o grupo externo que compartilha o mais recente ancestral com o grupo interno.

Na árvore acima, retirada de Regier et al,Nature 2010, o grupo externo utilizado na filogena de Artrópoda foi Onychophora que é um dos membros do grupo Pan-artropoda.

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3.15 Dicotomias. As dicotomias são eventos de especiação cladogênica no qual uma espécie ancestral origina duas espécies-filhas.

Uma dicotomia.

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3.16 Politomias: são nódulos com mais de duas linhagens descendentes, criando uma “explosão” de várias espécies se derivando ao mesmo tempo. O estágio inicial do conhecimento da filogenia de um grupo é uma politomia, ou seja, a ausência de informação sobre as relações de parentesco dessas espécies. Suponhamos que as relações de parentesco entre as 5 OTUs: A, B, C, D e E não são conhecidas. O dendograma para essas OTUs seria:

Essa é uma politomia. Conhecida “carinhosamente” por “pente”. Ela mostra que as relações entre as OTUs não são conhecidas. Também pode ser representada da seguinte maneira:

 

Não parece tanto um pente mas a ideia e a interpretação é a mesma da figura anterior (só que para 7 OTUs) a única coisa que diferencia as duas árvores quanto ao gráfico é a escolha estética.

 

Às vezes, ao final de todo o seu trabalho de inferência filogenética, alguma politomia aparece. Geralmente os pesquisadores se descabelam e se frustram com os pentes (principalmente os alunos de pós-graduação). O problema é que a politomia pode significar duas coisas:

 

(1) Falta de informação. Não haveria dados suficientes para se descobrir como essas linhagens estão relacionadas, pois uma politomia em uma árvore significa que naquele ponto não há conhecimento das relações. Para nossas 5 OTUs hipotéticas por exemplo, existiriam muitas possibilidades de solução da politomia. Algumas delas seriam:

(2) Especiação rápida. A politomia pode, algumas vezes, indicar realmente múltiplos eventos de especiação, ou seja, um ancestral dar origem a cinco espécies diferente ao mesmo tempo. Para supor que esse é o caso de sua politomia o pesquisador deve ser capaz de apontar evidências que suportem esse fato, visto que, em teoria, as dicotomias (especiação formando duas espécies) são muito mais prováveis que as politomias. O exemplo abaixo mostra as relações filogenéticas entre membros do grupo de peixes ciclídeos. A especiação deste grupo aconteceu rapidamente após a formação de lagos na África interrompendo o fluxo gênico das populações que antes tinham contato e as isolando, resultando em várias especiações ao mesmo tempo e no belo “pente” abaixo:

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3.17 Características representadas nas árvores:

Muitas árvores apresentam indicações de características surgidas no decorrer da história evolutiva do grupo que são compartilhadas por todos os grupos a partir dela (simplesiomorfias), a não ser que tenha havido perda ou transformação da característica a posteriori.

E não deixem de visitar a série, e outros textos, no meu Blog pessoal BioSubverso.

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texto por: Ester Helena de Oliveira

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Para Saber Mais:

Site “Understanding Evolution” 

Lopes & Ho. “Noções básicas de Sistemática Filogenética“

Livro: Amorim, Dalton de Sousa. Fundamentos de Sistemática Filogenética (1º edição), Editora Holos, 2002.

Blog do Professor Charles Morphy: Um longo argumento : “Representando a evolução: a árvore da vida“

Literatura Citada:

• Regier et al. Arthropod relationships revealed by phylogenomic analysis of nuclear protein-coding sequences. Letters to Nature, 2010.
• Grimaldi & Engel. Evolution of the insects. 2005. Cambridge University Press.

Fritz (1822-1897) e Hermann (1829-1883) Müller foram grandes observadores da natureza, que mantiveram intensa correspondência e troca de material com Charles Darwin, inserindo com suas pesquisas Brasil e Alemanha no contexto da consolidação e popularização da Teoria Darwinista da Evolução das Espécies.

Paralelamente à exposição itinerante Fritz Müller Príncipe dos Observadores, estarão expostas reproduções, material de coleta, obras artísticas e serão apresentados filmes relativos aos dois naturalistas.

Após a abertura solene será realizado um colóquio reunindo especialistas brasileiros e alemães. Antecedendo a exposição será realizado nos dias 19 e 20 de março um Workshop sobre tema Museu Virtual.

O evento faz parte da programação Temporada Alemanha-Brasil 2013-2014. A participaão é gratuita.

[“Transformations of Lamarckism” ]O ano de 2009 foi um ano memorável para a biologia evolucionária como o ano no qual o mundo todo celebrou os 200 anos do nascimento de Darwin e os 150 anos de aniversário da publicação de A origem das espécies. Mas 2009 também foi o ano de aniversário de outra conquista da biologia, ainda que menos notória, mas igualmente monumental que foi a publicação da Philosophie Zoologique de Lamarck. Em uma coincidência da história o ano do nascimento de Darwin também foi o ano no qual a primeira teoria sistemática e compreensiva da evolução biológica apareceu.

             Este livro se originou de um encontro realizado em Jerusalém, em 2009, realizado para celebrar os 200 anos de aniversário da publicação da obra prima de Lamarck. Este encontro tinha 2 objetivos: primeiro, refazer o lapso crítico na memória histórica ( e que se saiba este foi o único encontro internacional comemorativo sobre a publicação da Philosophie Zoologique), e, segundo, trazer para um foco mais aguçado os novos desenvolvimento da biologia que tornam as idéias de Lamarck relevantes não apenas para a pesquisa empírica e teórica moderna, mas também para os problemas da filosofia da biologia e para o registro da história e sociologia da teoria evolucionária.

            Um bom livro !  recomendo.

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• Gissis, S.B. & Jablonka, E. (Eds.) Transformations of Lamarckism: from Subtle Fluids to Molecular Biology MIT Press, Cambridge, USA. 2011 pp. 457

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.

A 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:

Qual é a semelhança entre os tentilhões-de-Darwin de Galápagos e os morcegos nariz-de-folha do Novo Mundo? A julgar pela aparência, a resposta seria fácil: nenhuma. Agora, se considerarmos pelo ponto de vista evolutivo, a resposta seria outra. Pensando nisso, é que a bióloga Betsy Dumont e seus colaboradores resolveram estudar a estrutura da face dos morcegos nariz-de-folha do continente americano e relacioná-las com as adaptações alimentares desses animais. A matéria saiu na Popular Science este mês e é muito interessante.

A maioria dos morcegos-nariz-de-folha são insetívoros, mas eles oferecem grandes exemplos de radiação adaptativa em mamíferos – bem como os tentilhões-de-Darwin das Ilhas Galápagos, cujos bicos variados oferecem uma bela visão do trabalho da seleção natural, o fazem em relação as aves. Morcegos trazem uma variedade deslumbrante de formas e tamanhos, o que representa uma das mais amplas variações entre todos os mamíferos – especialmente os morcegos nariz-de-folha do Novo Mundo. Estas criaturas são reconhecidas pelos apêndices semelhantes a chifres situados em seus focinhos. Estes apêndices são chamados de folha nasal e são responsáveis pela modificação das chamadas nasais de ecolocalização dos morcegos.

Algumas folhas nasais são atarracadas e largas, enquanto outras são pontudas como o chifre dos unicórnios. Alguns morcegos têm faces carnudas planas, enquanto outros têm focinhos graciosamente compridos; alguns têm pequenos olhos redondos e outros têm grandes olhos amendoados; alguns têm mandíbulas arredondadas, sorridentes e outros têm a fisionomia amassada igual ao de um buldogue ou de um boxeador que levou uma surra.

A maioria dos morcegos nariz-de-folha vivem em florestas, mas também possuem algumas espécies que vivem no deserto. São encontrados em maior número de espécies em florestas tropicais de baixa altitude no norte da América do Sul e na América Central. Eles variam em tamanho de cerca de quatro até quinze centímetros de comprimento, e – ao que parece- evoluíram para comer tudo o que a natureza tem para oferecer: insetos, frutas, néctar, pólen, sapos, morcegos e até sangue (a família Phyllostomidae inclui morcegos-vampiros).

No estudo em questão, a equipe de Dumont queria descobrir quais fatores biomecânicos estariam por trás da evolução dessa aparência maluca das faces dos morcegos e do formato de suas cabeças. Eles queriam construir modelos de engenharia que pudessem simular as forças de tensão – ou seja, as forças que uma estrutura pode suportar – e a vantagem mecânica para cada face de morcego na história evolutiva desses animais. Inicialmente, eles fizeram uma tomografia computadorizada do crânio de um tipo mais comum de morcego e foram modificando-a, por meio de um programa  especializado de computador, até chegar na criação de modelos de todos os comprimentos e larguras possíveis de mandíbulas. Em seguida, os biólogos calcularam os valores numéricos para a tensão e a vantagem mecânica entre todos esses modelos.

Para a realização do trabalho, Dumont e sua equipe capturaram morcegos na floresta tropical usando redes de neblina e os fizeram morder um pequeno aparelho para medir a força de sua mordida. Depois, combinaram análise de engenharia com evolução para desvendar, principalmente, qual seria a vantagem mecânica (em termos de seleção natural ) da capacidade da mordida de um morcego.

Segundo a bióloga, a seleção natural favoreceu três formas básicas de faces para os morcegos nariz-de-folha: comprida e fina; curta e larga e uma forma”intermediária” entre as duas. Morcegos com faces curtas e largas se especializaram em comer frutos muito duros, como figos selvagens. Animais com focinhos compridos e finos conseguem encaixá-los perfeitamente em flores profundas em busca do néctar. E, claro, há um tipo isolado: os morcegos-vampiros, que são consideradas “um pouco estranhos“, apesar de sua mordida apresentar uma vantagem mecânica relativamente alta. Além da particularidade encontrada na força mandibular dos vampiros , os resultados mostraram que a vantagem mecânica foi mais importante do que a força estrutural na evolução das diferentes faces de morcegos.

“Até certo ponto, existe uma compensação entre as duas formas básicas” diz a pesquisadora. Embora aqueles que se alimentam de néctar possuam uma vantagem mecânica ruim em relação aos de focinhos curtos, eles também são realmente muito tensionados. No outro extremo do espectro, os animais com faces supercurtas têm uma excelente força de mordida, mas estão submetidas também a algum tipo de tensionamento, esclarece a bióloga.

Faces de Morcegos e sua Árvore Filogenética. Este diagrama ilustra as modificações extraordinárias sofridas pelos morcegos nariz-de-folha do Novo Mundo após milhões de anos. As faces dos animais são adaptadas especialmente ao tipo de alimentos que eles comem, incluindo frutos, insetos e outros vertebrados. [Courtesia de Betsy Dumont, retirado de Boyle, 2014].

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Para saber mais:

• Rebecca, Boyle Boyle ‘Like Darwin’s Finches, But Weirder, Bat Faces Showcase Amazing Adaptations’ Popular Science, 7 de fevereiro, 2014.
• Dumont, Elizabeth R., Samadevam, Krishna, Grosse, Ian, Warsi, Omar M. , Baird, Brandon, Davalos, Liliana M. Selection for Mechanical Advantage Underlies Multiple Cranial Optima in New World Leaf-Nosed Bats. Evolution, 2014; DOI: 10.1111/evo.12358

No final do ano passado o Dailyy News da National Geographic publicou um artigo que pretendia sacudir as estruturas da biologia evolutiva. Não sei se a matéria atingiu o seu propósito, mas me serviu de inspiração para escrever este post, no qual relembro a história evolutiva dos metazoários e também aproveito para tecer algumas considerações sobre o assunto.  A matéria da NatGeo, cujo título original era “Was your ancestor a ball of jelly? Evolution study surprises experts“, sugeria que animais marinhos gelatinosos semelhantes à medusas seriam realmente os primeiros a se diferenciarem do ancestral comum dos animais, isso há mais de 600 milhões de anos. De acordo com o estudo apresentado, as “águas-vivas-de- pente” (as chamadas “comb jellies”), criaturas gelatinosas pertencente ao filo Ctenophora seriam os ancestrais mais distante dos animais atuais do que os poríferos e cnidários normalmente tidos como sendo os primeiros grupos a divergirem da primeira linhagem dos metazoários modernos.

Muitos confundem os ctenóforos com os cnidários, mas os primeiros distinguem-se destes por possuírem oito séries de placas ciliadas meridionais, as quais propulsionam o corpo do animal durante a natação com a extremidade oral voltada para a frente. Além disso, os ctenóforos possuem músculos mesenquimáticos, sistema digestivo com poros anais, ausência de nematocistos (exceto no gênero Euchlora), desenvolvimento em mosaico e uma região sensitiva aboral (estatocistos), sem mencionar o fato  de que os cnidários são polimórficos e os ctenóforos são monofórmicos.

Segundo  Andy Baxevanis, geneticista do Instituto Nacional de Pesquisa do Genoma Humano, em Bethesda, Maryland e co-autor do estudo que saiu primeiro na revista Science (edição de 13/12/2013), as esponjas são organismos muito simples, sem músculos ou sistemas nervosos enquanto as “águas-vivas-de-pente” possuem ambos. 

Relações anteriormente propostas para os cinco grupos de animais. (A) hipótese Coelenterata. (B) Ctenophora como grupo irmão de Bilateria. (C) Porifera como grupo irmão do resto dos animais. (D) Ctenophora como grupo irmão para o resto dos animais. (E) Placozoa como grupo irmão do resto dos animais. (F) hipótese ‘Diploblástica’. Neste estudo os pesquisadores não encontraram nenhum apoio para as hipóteses A, E e F e apenas pouco apoio para a hipótese B. [Ryan, J.F et al, 2013].

Baxevanis e seus colaboradores chegaram a esta conclusão depois de realizar o primeiro sequenciamento completo do genoma de um ctenóforo usando uma espécie chamada de “noz-do-mar” (sea walnut) (Mnemiopsis leidyi) . Dos quatro grupos de animais considerados na disputa pelo título do primeiro ancestral dos animais modernos – poríferos, ctenóforos, cnidários e um grupo chamado Placozoa – faltava somente a realização de uma sequenciamento completo do genoma de um representante dos ctenóforos.

O sequenciamento completo do genoma é uma ferramenta importante quando se pretende comparar as relações entre os diversos grupos de animais. Baxevanis e sua equipe jogaram os dados do sequenciamento genômico num programa de computador que executa análises filogenéticas e obteve como resultado vários cenários que colocavam as “comb jellies” como o primeiro grupo que divergia, bem na base da árvore evolutiva dos animais.

O novo estudo causou uma certa agitação entre os especialistas no assunto. Um trabalho publicado em 2008 na revista Nature já havia sugerido que os ctenóforos seriam, não o ancestral comum dos grupos atuais de animais (como alguns veículos de imprensa noticiaram erroneamente), mas a primeira linhagem moderna a divergir, sendo o primeiro ramo evolutivo a separar-se do ‘tronco’ animal ancestral. Eles seriam portanto os nossos (e dos demais animais) parentes mais distantes, o grupo moderno (copa) que primeiro teria se diferenciado.

A principal implicação deste resultados, caso ele se confirme, é que, como os ctenóforos são organismos com musculatura e sistemas nervosos já bem diferenciados – e como teriam sido os primeiros a diferenciarem-se e formarem uma linhagem animal distinta – os ancestrais comuns de todos animais, inclusive deles, deveria já ter um nível de complexidade celular e tecidual similar ao que o observamos nos ctenóforos atualmente. Isso pode significar que animais como as esponjas, considerados anteriormente os mais basais e primitivos, seriam, na realidade, mais derivados, tendo sua linhagem perdido secundariamente tecidos, já que os poríferos não tem sistemas nervosos e músculos, sugerindo que a evolução animal foi bem mais complicada do que normalmente imagina-se com perdas e ganhos e várias linhagens.

Nova posição filogenética proposta para o ctenóforo Mnemiopsis leidyi e suas implicações na origem dos tipos de células mesodérmicas.   (A) um exemplar adulto de M. leidyi. Em (B) um resumo das relações entre os cinco ramos principais dos animais e o grupo externo Choanoflagellata. Em (C) pode ser observado um inventário dos genes de especificação miogênica em M. leidyi. Os componentes presentes no genoma M. leidyi estão em azul e os nomes estão sublinhados. Os componentes ausentes estão em vermelho. A falta de muitos destes fatores em M. leidyi indica que tipos de células mesodérmicas dos ctenóforos são especificadas de forma diferente do que em em Bilateria (o grupo formado por animais com simetria bilateral ancestral), sugerindo que talvez tenham evoluído independentemente nestas duas linhagens [Ryan, J.F et al, 2013].

Porém, alguns pesquisadores veem com desconfiança este tipo de análises filogenéticas feitas a partir de sequências genômicas completas, contestando a metodologia e os argumentos dos pesquisadores responsáveis pelo estudo publicado na revista Science, aprofundando a discussão.

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• Lee, Jane J. ‘Was Your Ancestor a Ball of Jelly? Evolution Study Surprises Experts’ National Geographic Daily News Published December 12, 2013.

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Para saber mais:

• Ryan, J.F., K. Pang, C. E. Schnitzler, A. Nguyen, R. T. Moreland, D. K. Simmons, B. J. Koch, W. R. Francis, P. Havlak, S. A. Smith, N. H. Putnam, S. H. D. Haddock, C. W. Dunn, T.G. Wolfsberg, J. C. Mullikin, M. Q. Martindale, and A.D. Baxevanis The Genome of the Ctenophore Mnemiopsis leidyi and Its Implications for Cell Type Evolution. Science 13 December 2013: 1242592 DOI:10.1126/science.1242592 [PDF]

• Broad phylogenomic sampling improves resolution of the animal tree of life. Dunn, C. W., A. Hejnol, D. Q. Matus, K. Pang, W. E. Browne, S. A. Smith, E. Seaver, G. W. Rouse, M. Obst, G. D. Edgecombe, M. V. Sørensen, S. H. D. Haddock, A. Schmidt-Rhaesa, A. Okusu, R. Møbjerg Kristensen, W. C. Wheeler, M. Q. Martindale & G. Giribet Nature 452, 745-749 (10 April 2008) DOI:10.1038/nature06614.

• Williams, Ruth A New Basal Animal: Comb jellies take their place on the oldest branch of the animal family tree. The Scientist, December 12, 2013.

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

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].

O 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=aX^k,

 

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

Resenha de “Consciência e seu lugar na natureza”, capítulo 4 (pp. 123-60) do livro A Redescoberta da Mente, de John SEARLE, tradução de Eduardo Pereira e Ferreira, 2ª edição, São Paulo, Martins Fontes, 2006.

O principal problema da área Filosofia da Mente é o chamado problema mente-corpo (alguns diriam mente-cérebro), que pode ser formulado de vários modos, mas, para o que nos interessa aqui, pode-se apresentá-lo da seguinte forma: qual é a relação entre os processos e estados mentais, por um lado, e os processos e estados físicos, por outro, ou seja, onde situar a mente na natureza? Muitas foram – e são (!), trata-se de um campo com intensos e empolgantes debates atuais – as respostas e teorias propostas para solucionar este problema filosófico.

No que se segue, apresentarei algumas ideias do filósofo norte-americano John Rogers Searle (1932- ), professor da Universidade da Califórnia (Berkeley), que propôs uma teoria denominada Naturalismo Biológico como solução ao problema mente-corpo. Para tanto, utilizarei o capítulo 4 de seu influente livro A Redescoberta da Mente, publicado originalmente em 1992, pela editora do Massachusetts Institute of Technology. O roteiro geral será o seguinte: inicialmente, Searle aborda o que é consciência para, logo em seguida, encaixá-la no quadro conceitual da visão de mundo científica, mostrando, por fim, a vantagem seletiva da consciência.

Logo no início de seu texto, Searle se preocupa em dar uma definição, mesmo ciente das dificuldades, de “consciência” [consciousness, em inglês], tentando delimitar o que tal conceito quer dizer por meio de exemplos: um sistema é ou não consciente, mas, uma vez consciente, há uma variação de graus. Por exemplo, caso alguém esteja dormindo sem sonhar ou esteja em coma, estará inconsciente. Porém, se uma pessoa começa a sonhar, ela terá consciência em certo grau, mesmo que menor se comparado ao estado de vigília. Mesmo acordado, há uma variação, pois misteriosamente alguém pode estar mais consciente da partida de seu time de futebol do que da aula de Filosofia…

Antes de prosseguir, deve-se ressaltar que a noção de mente em Searle é bastante distinta da que foi proposta pelo famoso filósofo francês René Descartes, no século 17 (na verdade, a concepção que apresentarei abaixo é bastante antiga, mas a formulação cartesiana é a versão mais famosa e a mais debatida na História da Filosofia). De acordo com este último, o homem é composto por duas substâncias distintas, a saber, o seu corpo (res extensa) e a sua alma ou espírito (res cogitans). Já que esta teoria pressupõe a existência (ontologia) de duas substâncias distintas (as coisas extensa e pensante), ela ficou conhecida como dualismo de substância ou, em referência nominal ao filósofo, dualismo cartesiano.

Segundo Descartes, caso eu analise o meu corpo (ou outro qualquer, como uma mesa, por exemplo), constatarei que ele tem uma extensão e, a partir disso, posso falar algo como “o meu corpo mede 1,72 m e pesa 80 Kg”. Entretanto, não faria sentido perguntar, literalmente em metros e em quilos, qual é o comprimento do meu desejo de tomar sorvete ou quanto pesa a minha crença em Deus! Meu corpo (coisa física/substância extensa) é ontologicamente distinto da minha mente (coisa não-física/substância pensante). Uma consequência dessa distinção é que o domínio mental é irredutível e independente do físico – isso significa, entre outras coisas, que não há nenhum impedimento que a minha mente exista sem o meu corpo após a morte deste (não por acaso, alguns defensores da concepção cartesiana possuem motivações religiosas…). O maior problema com o dualismo ontológico proposto por Descartes era explicar a interação causal entre os dois âmbitos: como é possível que (i) algo não-físico seja capaz de causar algo físico, e (ii) vice-versa? (i) Eu desejo (estado mental) levantar o meu braço direito e, logo em seguida, há um movimento corporal correspondente ao meu desejo (processo físico); (ii) um corte em meu pé me causa dor (causação físico-mental, oposta ao sentido causal do exemplo anterior). Enfim, Descartes não conseguiu dar uma resposta satisfatória para esse problema, mas o que interessa aqui, no que diz respeito à sua teoria, é basicamente o seguinte: o domínio físico dos corpos (astros, formações rochosas, e corpos de animais humanos e não humanos) é passível de ser estudado pelas Ciências Naturais, mas não o domínio do mental. Searle discorda disso!

Em oposição ao dualismo cartesiano, Searle defende que consciência é física, especificamente, biológica e, portanto, pode e deve ser estudada cientificamente. Como ela é a noção central do mental, deve-se situá-la em relação às concepções científicas atualmente aceitas, deixando para trás o arcabouço cartesiano que considera o mental como não-físico: “Um dos principais objetivos deste livro é tentar remover esse obstáculo [separação entre mente e matéria], trazer a consciência de volta ao objeto da ciência como um fenômeno biológico semelhante a qualquer outro” (p. 127). Mesmo sabendo que as atuais teorias científicas podem se mostrar erradas no futuro, existem duas que estão muito bem estabelecidas e é fundamental tê-las como pano de fundo no estudo da consciência, a saber, as Teorias Atômica e Evolutiva.

O que Searle chama de Teoria Atômica poderia ser vagamente apresentada da seguinte forma: o Universo é composto de matéria que se agrupa em níveis cada vez mais complexos formando sistemas, os quais podem ser subsistemas de sistemas mais complexos. Dessa maneira, há o nível mais básico formado por “partículas” subatômicas (comportamento dual onda-partícula, na verdade), as quais formam átomos, estes formam moléculas etc. Isso significa que os sistemas complexos são constituídos e causalmente explicáveis pelos sistemas mais simples subjacentes. Portanto, o cientista é capaz de explicar um fenômeno de nível superior através de um de nível inferior, o que traz “como consequência que haverá diferentes níveis de explanação do mesmo fenômeno, dependendo se vamos da esquerda para a direita de macro para macro ou micro para micro, ou de baixo para cima de micro para macro” (p. 129). Prata & Lima Filho (2013, p. 202) esquematizaram a causação mente-corpo no Naturalismo Biológico a partir de uma analogia feita por Searle em seu livro publicado originalmente em 1983, Intencionalidade:

 

                             

O que está representado acima são os diferentes níveis de um mesmo sistema: os processos do micronível (processos cerebrais e mudanças fisiológicas) causam e realizam os estados e processos do macronível (intenção em ação e movimento corporal). Observe que há um tipo de causa simultânea aqui envolvida no esquema: os processos cerebrais, por exemplo, causam a intenção em ação (efeito), mas ambos ocorrem simultaneamente em t₁ (causação de baixo para cima de micro para macro). Quando se afirma que o meu desejo de tomar sorvete (intenção em ação) causa o meu movimento corporal, está envolvida uma causação de macro para macro e da esquerda (t₁) para a direita (t₂). Contudo, Searle também afirma que é possível a causação descendente: o meu desejo de tomar sorvete (macronível – t₁) causa as mudanças fisiológicas (micronível – t₂), o que é representado pela seta diagonal. Por fim, é perfeitamente possível se falar da diagonal ascendente, isto é, que processos cerebrais (micronível – t₁) causam o movimento corporal (macronível – t₂). Em resumo, há um mesmo sistema descrito em diferentes níveis.

Já de acordo com a Biologia Evolutiva, as várias espécies de organismos que existem foram se originando e se modificando no decorrer do tempo geológico por processos evolutivos, como os que envolvem o mecanismo de seleção natural (este é um dos mecanismos, mas não o único). Em uma dessas grandes linhagens, os animais, houve uma tendência de cefalização, na qual alguns organismos desenvolveram sistemas nervosos complexos o suficiente para causar e sustentar estados e processos mentais conscientes. Pode-se, segundo Searle, afirmar categoricamente isso, mesmo que atualmente os cientistas desconheçam os detalhes de como os processos neurobiológicos causem a atividade mental e tampouco saibam afirmar quais espécies de animais não-humanos são conscientes. Vale ressaltar que esta também é mais uma diferença entre a posição de Searle e a de Descartes, já que este último afirmava que animais não-humanos não passam de autômatos – possuem res extensa (corpo), mas não res cogitans (“alma”).

Há, por conseguinte, uma continuidade entre o Homo sapiens e o restante do mundo natural, o que inclui considerar que a consciência evoluiu gradualmente por meio de um longo processo evolutivo. Portanto, a consciência surgiu evolutivamente e é uma característica biológica que emerge da atividade de sistemas nervosos complexos (chimpanzés, golfinhos, cães, gatos etc.):

“Consciência, em resumo, é uma característica biológica de cérebros de seres humanos e determinados animais. É causada por processos neurobiológicos, e é tanto uma parte da ordem biológica natural quanto quaisquer outras características biológicas, como a fotossíntese, a digestão e a mitose” (p. 133, grifos de Searle).

Defender que a consciência é física, mais especificamente, biológica, não significa negar que ela pudesse ser causada e realizada por outros substratos distintos, como o silício, por exemplo. Do mesmo modo que é possível construir asas de avião com materiais distintos das asas de insetos, aves e morcegos, poder-se-ia produzir uma mente artificial, desde que se duplicassem os poderes causais dos processos neurobiológicos:

“(…) se fôssemos produzir consciência artificialmente, a maneira natural de agir seria tentar reproduzir o fundamento neurobiológico [leia-se: reproduzir os poderes causais do cérebro] efetivo que tem a consciência em organismos como nós próprios” (p. 136).

Após situar o lugar da consciência na natureza, isto é, depois de mostrar que sistemas complexos são formados por sistemas mais simples e estes, em última análise, por “partículas” subatômicas e, além disso, que o surgimento evolutivo de determinados sistemas nervosos complexos propiciou o aparecimento da atividade mental consciente, Searle afirma que fenômenos mentais conscientes têm uma característica especial – a subjetividade. Antes de prosseguir, vale a pena diferenciar o modo de existência (questão ontológica) do modo de conhecer (questão epistemológica) algo. Pode-se verificar a verdade ou a falsidade de algumas questões epistemológicas objetivamente, mas não de outras. Observe e compare os seguintes juízos: 1) “Fernando Collor de Mello foi o melhor presidente da história do Brasil” e 2) “Fernando Collor de Mello nasceu no Rio de Janeiro e foi o 32º presidente do Brasil”. O primeiro exemplo trata-se de um juízo subjetivo, o qual depende de preferências, sentimentos e visões pessoais, mas, diferentemente, há uma objetividade epistêmica no que se refere ao segundo, já que qualquer um, independente de sexo, gênero, religião ou nacionalidade pode constatar a sua veracidade.

Entretanto, quando Searle afirma que a consciência é subjetiva, ele não está falando de subjetividade epistêmica, mas, sim, subjetividade ontológica. Isso significa que o modo de existência da consciência, que é uma propriedade ou característica biológica, é distinto do modo de existência das demais coisas do Universo, tais quais montanhas, nuvens ou rios: respectivamente, trata-se dos modos de existência de 1ª pessoa (ontologia subjetiva) e 3ª pessoa (ontologia objetiva). Sendo assim, a cadeia montanhosa dos Andes existe de modo independente em relação aos sujeitos e continuaria a existir mesmo que todos nós morrêssemos. Entretanto, pode-se dizer que dores, crenças e desejos são sempre estados mentais de um sujeito, e dependem deste para existir, o que significa dizer que eles são ontologicamente subjetivos. Mais do que isso, um estado mental ontologicamente subjetivo, como a dor, pode ser objetivamente constatada e verificada do ponto de vista epistêmico:

“‘Agora tenho uma dor na parte inferior das minhas costas.’ Essa afirmação é completamente objetiva no sentido de que é tornada verdadeira pela existência de um fato real, e não é dependente de nenhuma posição, atitude ou opinião de observadores. Entretanto, o próprio fenômeno, a própria dor real, tem um modo subjetivo de existência, e é neste sentido em que estou dizendo que a consciência é subjetiva” (pp. 139-40).

Logo após criticar os argumentos de concepções rivais, como as dos filósofos Thomas Nagel e Colin McGinn, Searle se volta para o famoso argumento do zumbi filosófico. De acordo com este argumento, é logicamente possível que se imagine um ser fisicamente idêntico a mim, molécula por molécula, e, mesmo assim, que tal indivíduo não possua quaisquer estados mentais qualitativos, isto é, seja um zumbi no sentido filosófico – identidade de constituição física e identidade de comportamento observável com ausência de consciência fenomênica. É importante não confundi-lo com os populares zumbis de livros, filmes e jogos eletrônicos: basta que você imagine – isso é o que os filósofos denominam experimento de pensamento – uma duplicata física sua (identidade de constituição) sem qualquer tipo de estados conscientes (ausência de consciência fenomênica). Nesse sentido, o zumbi responderia que a capital do Brasil é Brasília e a luz vermelha do semáforo o faria parar o carro (identidade comportamental), mas, diferentemente de você, o seu clone físico não teria nenhuma representação fenomênica de sobre Brasília nem qualquer sensação de como é ver vermelho (ausência consciente). Geralmente, o argumento do zumbi é utilizado como crítica às posições fisicalistas reducionistas da mente, já que mostraria que a base física não é suficiente para explicar a atividade consciente – pode-se duplicar aquela sem ter esta última. Tampouco seria suficiente observar o comportamento de alguém para lhe atribuir mentalidade (problema de outras mentes), mas esse é outro assunto.

Entretanto, o argumento do zumbi parece, pelo menos parcialmente, se opor à origem e vantagem evolutiva da consciência: se o zumbi se comporta de modo idêntico a mim, que possuo fenômenos mentais conscientes, para que postular que a consciência evoluiu biologicamente, ou seja, qual seria a vantagem evolutiva de um organismo ser consciente? Searle responde em termos gerais da seguinte maneira a este questionamento: “(…) a consciência serve para organizar um determinado conjunto de relações tanto entre o organismo e seu ambiente quanto entre o organismo e seus próprios estados” (p. 157). Em síntese, a experiência sensorial consciente permite que o organismo veja, escute e perceba cheiros de potenciais predadores/presas, rivais ou parceiros sexuais (obtenção de informação sobre o mundo), e estas experiências sensoriais, por sua vez, trazem uma óbvia vantagem em termos de ação: correr do predador, caçar uma presa, lutar com o rival ou cortejar e copular com uma fêmea (ação sobre o mundo): “(…) na percepção consciente o organismo tem representações causadas por estados de coisas no mundo, e, no caso de ações intencionais, o organismo provoca estados de coisas no mundo através de suas representações conscientes” (p. 158).

Visto isso, pode-se concluir que os poderes de discriminação perceptual e flexibilidade comportamental propiciados pela atividade mental consciente são muito mais complexos e finos do que os de mecanismos inconscientes de percepção e ação, o que serve para mostrar o porquê dela ser uma característica biológica evolutivamente vantajosa, mesmo que se leve em consideração o intenso gasto metabólico para produzi-la e sustentá-la através da atividade de sistemas nervosos complexos:

“A hipótese que estou propondo, então, é que uma das vantagens evolutivas conferidas a nós pela consciência é a flexibilidade, sensibilidade e criatividade muito maiores que derivamos do fato de sermos conscientes” (p. 160).

Finalizarei mencionando rapidamente duas dificuldades que geralmente são apontadas ao Naturalismo Biológico, uma referente à redução e outra à causação. Searle afirma que a consciência é uma característica biológica ordinária como a fotossíntese, a mitose ou a digestão. Entretanto, diferente destas últimas, a consciência é ontologicamente subjetiva. Eis que surge um sério problema: caso alguém perguntasse a Searle se a consciência é redutível aos processos neurobiológicos, ele responderia que sim e não! Ela é causalmente redutível, já que é explicável pela atividade neurobiológica do sistema nervoso, mas também é ontologicamente irredutível, pois os fenômenos mentais conscientes possuem uma ontologia de 1ª pessoa e os processos cerebrais têm uma ontologia de 3ª pessoa. Muitos críticos já apontaram que não é coerente defender ambas as posições – redução causal e irredutibilidade ontológica.

Uma segunda crítica diz respeito à concepção de causação mental de Searle. Observando mais uma vez o esquema supracitado e levando-se em consideração que a intenção em ação (modo de existência subjetivo) é ontologicamente distinta dos processos cerebrais (modo de existência objetivo) que a causam e realizam, tem-se o seguinte dilema: ou um mesmo efeito (mudanças fisiológicas) tem duas causas (processos cerebrais e intenção em ação), caracterizando uma sobredeterminação causal, ou se considera que há um fechamento causal do mundo físico e se afirma que os processos cerebrais (causa física) é que provocam as mudanças fisiológicas (efeito físico), ou seja, a intenção em ação é apenas um epifenômeno dos processos cerebrais, sendo causalmente inerte – não há causação descendente! Searle rebate (ou tenta) ambas as críticas, mas o exame de suas respostas aos críticos ultrapassa os objetivos desta resenha.

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Referências Bibliográficas:

 

PRATA, T. A. & LIMA FILHO, M. M. Oscilações entre o Reducionismo e o Fisicalismo Não-Redutivo no Naturalismo Biológico de John Searle. Trans/Form/Ação, v. 36, n.2, p. 195-218, Maio/Ago., 2013. [PDF]

SEARLE, J. R. Intencionalidade. Tradução de Julio Fischer e Tomás Rosa Bueno, revisão técnica de Ana Cecília G. A. de Camargo e Viviane Veras Costa Pinto, 2ª edição, São Paulo, Martins Fontes, 2002.

_______ . A Redescoberta da Mente. Tradução de Eduardo Pereira e Ferreira, 2ª edição, São Paulo, Martins Fontes, 2006.

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Créditos das figuras

ANDRZEJ WOJCICKI/SCIENCE PHOTO LIBRARY
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Maxwell Morais de Lima Filho – Biólogo, Mestre e Doutorando em Filosofia pela Universidade Federal do Ceará (UFC). Sou Membro Associado da Sociedade Brasileira de Filosofia Analítica, Professor de Filosofia do Instituto de Ciências Humanas, Comunicação e Artes (ICHCA) e Pesquisador do Grupo Linguagem e Cognição da Universidade Federal de Alagoas (UFAL).