sábado, 26 de agosto de 2017

Muito além da genética! O que os peixes de aquário têm a nos ensinar sobre as diferenças entre espécies

Segundo Craig Albertson, da Universidade de Massachusetts, é uma frustração para os biólogos evolucionistas o fato de que a genética é capaz de explicar apenas uma pequena porcentagem nas variações em características físicas dos organismos.

Albertson estudou ciclídeos africanos ao longo de 20 anos com o objetivo de desvendar como a biodiversidade se origina e como é mantida. Seu foco estava na contribuição genética para as diferenças entre as espécies. Juntamente com um Yianan Hu, que fora seu aluno de doutorado, examinou um comportamento muito intricado na fase larval que se inicia imediatamente após a cartilagem da mandíbula inferior se formar, mas antes que comece a deposição de osso. Os resultados foram publicados na Proceedings of the Royal Society B.

"Fizemos a previsão de que os filhotes de peixe estão exercitando os músculos de suas mandíbulas, o que impõe forças sobre os ossos aos quais eles estão ligados, forças que devem estimular a formação de osso", explica Albertson. Os pesquisadores observaram que a frequência do movimento de abrir e fechar a boca, que poderia alcançar 200 repetições por minuto, variava de uma espécie para outra.

"Por mais de cem anos temos sido ensinados que a habilidade de um sistema evoluir depende grandemente da quantidade de variação genética que se observa para uma dada característica. O que é ignorado, ou não notado para muitas características, é que menos de 50% da variação genética pode tipicamente ser explicada pela genética." E Albertson complementa, "Variações na forma do crânio são altamente herdáveis, e assim por que somente podemos encontrar variabilidade genética que explica apenas essa pequena quantidade de variabilidade no desenvolvimento dos ossos? Em nosso laboratório, passamos de tentar elaborar nossos modelos genéticos para olhar mais atentamente para a interação entre genética e meio ambiente."

A influência do ambiente no desenvolvimento é conhecida como epigenética. O termo foi cunhado nos anos 1940 para se referir a qualquer coisa não codificada na sequência de nucleotídeos. Essa definição estreitou-se para se referir a como a estrutura 3D da molécula de DNA é modificada. Albertson alerta que esse significado é correto, mas não é o único possível, e que seu trabalho remete à definição original.

"Os ossos não estão se formando sobre partes estáticas de tecido. Ao invés disso, eles estão se desenvolvendo como parte de, e talvez em resposta a um sistema altamente complexo e dinâmico." O fato de que as espécies diferem na taxa de movimento bucal levou os pesquisadores a testar a ideia de que diferenças no desenvolvimento dos ossos poderiam ser explicadas pela variação nesse comportamento. "Realizamos experimentos para ver se poderíamos desacelerar a taxa em espécies de rápido movimento bucal e acelerá-la em espécies de movimento lento, e para verificar se essa manipulação comportamental poderia influenciar o desenvolvimento dos ossos de maneira previsível."

Os experimentos funcionaram bem, mas o que foi mais surpreendente foi o fato de que as diferenças na morfologia do esqueleto induzidas por essas simples mudanças de comportamento eram similares àquelas atribuídas a fatores genéticos. Segundo Albertson, "O que eu achei realmente excitante é que em 15 anos manipulando a genética do desenvolvimento dos ossos craniofaciais nós fomos capazes de explicar apenas 20% da variabilidade, o que é modesto. Quando manipulamos o comportamento do movimento bucal, podemos influenciar a variabilidade por desenvolvimento por cerca de 15%, o que é comparável, quase igual à resposta genética."

"Quando eu falo em palestras, isso é o que mais surpreende meus colegas, que o efeito ambiental equipara-se ao efeito genético, e que isso não é sistêmico, mas altamente específico para ossos importantes envolvidos na alimentação dos peixes."

O próximo passo em seu laboratório é descobrir como o estímulo ambiental influencia o desenvolvimento. Para Albertson, "agora precisamos entender como as células ósseas percebem e respondem ao seu ambiente mecânico. Quais são as moléculas que permitem essa percepção mecânica?"

Os pesquisadores já demonstraram que mudanças induzidas por carga mecânica no desenvolvimento do esqueleto estão associadas com diferenças na expressão do gene ptch 1, que foi apontado previamente na mediação de diferenças na forma do esqueleto entre espécies. "Que a mesma molécula esteja envolvida em percepção mecânica dentro da mesma espécie e em divergência genética entre as espécies é algo formidável, uma vez que isso é consistente com a teoria evolucionária," diz Albertson.

A ideia é que quando animais de uma população são expostos a um novo ambiente, certas moléculas os habilitarão a responder de modo a tornear seus corpos para enfrentar os novos desafios. Se o novo ambiente é estável, a seleção natural deveria favorecer mutações com essas moléculas que fixariam a resposta inicialmente transitória. Esta teoria estabelece uma base para as etapas iniciais na divergência entre as espécies.


Adaptado de: "Baby fish exercising, a surprise source of adaptative variation in fish jaws"


Nota:

O estudo leva à antecipação de que quando uma população de animais enfrenta mudanças em seu ambiente, entra em atuação um mecanismo já embutido em seu organismo que permite que eles mudem de forma de modo a se adaptar às novas exigências, nada tendo a ver com seleção natural. Albertson, um geneticista sem dúvida muito competente, interpretou essa observação dentro da estrutura conceitual com que está familiarizado, ou seja, o evolucionismo. Aos meus modestos olhos, essa observação se encaixa perfeitamente a uma visão de mundo criacionista, segundo a qual tipos básicos de animais (não espécies) foram criados com capacidade inata de mudar de forma e se adaptar ao ambiente (mas isso dentro de certos limites). Um Criador que pudesse antecipar os desafios com que suas criaturas se deparariam provavelmente iria dotá-las da capacidade de enfrentá-los. A habilidade pré-programada de mudar de forma para se conformar com o ambiente, sem a necessidade de esperar até que as mutações certas surgissem e fossem selecionadas, parece alinhar-se bem com essa visão. Isso não significa que a seleção natural seja rejeitada por criacionistas. Muito pelo contrário. Com já foi explicado aqui, Edward Blyth, um criacionista do século XIX, figurou entre aqueles que propuseram o conceito de seleção natural antes de Darwin. Evolucionistas e criacionistas divergem apenas quanto à extensão a que a seleção natural pode levar. Para os primeiros, ela é capaz de transformar um organismo unicelular primitivo em um ser humano, dado tempo suficiente. Para os últimos, pode fazer parte dos mecanismos responsáveis pelas variações dentro de gêneros e até de famílias. Diga-se de passagem, as variações que podem ser induzidas em laboratório ou observadas na natureza se alinham melhor com essa última visão. O mesmo se pode dizer do registro fóssil, como o próprio biólogo evolucionista Stephen Jay Gould notou (não para defender o criacionismo, obviamente, mas para justificar sua teoria do equilíbrio pontuado).

quarta-feira, 16 de agosto de 2017

Moléculas orgânicas preservadas em plantas fossilizadas são usadas para classificação biológica


Ginkgo biloba fossilizado
O sequenciamento genético é a base primária para se entender as relações entre as plantas que existem hoje. Isso não é possível em plantas fossilizadas, uma vez que nelas o DNA não se encontra preservado (exceto por alguns fragmentos relatados para exemplares com idades estimadas em até 1 milhão de anos, segundo a cronologia tradicional). Entretanto, plantas fossilizadas de supostas dezenas de milhões de anos contêm uma variedade de outras moléculas orgânicas preservadas, e foi com base nessas moléculas que um grupo de pesquisadores tentou estabelecer relações entre elas.

A cutícula é uma camada de cera protetora que reveste a epiderme das folhas de quase todas as plantas vasculares modernas. Entre suas funções está a proteção contra desidratação, ataques por insetos e luz ultravioleta. Dentre os materiais biológicos que são preservados nos fósseis de plantas, a cutícula está entre os que apresentam componentes químicos com menor alteração pelos processos resultantes do soterramento e diagênese térmica. As cutículas são constituídas majoritariamente de uma membrana insolúvel de lipídios, o que significa dizer que são relativamente impermeáveis a água e gases.

Primeiramente, os pesquisadores usaram espectroscopia no infravermelho para analisar o material das cutículas de plantas vivas que possuem correspondentes no registro fóssil. As análises espectroscópicas foram combinadas com uma técnica matemática conhecida por análise de agrupamento hierárquico, que permite agrupar os indivíduos de uma amostra com base em um conjunto de características (neste caso, seus espectros de infravermelho). Eles perceberam que o agrupamento fornecido pelo seu método correspondia exatamente à classificação biológica obtida a partir do sequenciamento do DNA.

Uma vez estabelecido que o método funcionava para plantas vivas, passou-se para a análise das plantas fossilizadas. Entre as plantas estudadas, estavam coníferas e algumas espécies de Ginkgo. Durante o jurássico, o gênero Ginkgo era muito diverso, mas hoje resta somente uma espécie, o Ginkgo biloba. Os pesquisadores coletaram folhas fossilizadas em rochas na Suécia, na Austrália, na Nova Zelândia e na Groelândia. As espécies fósseis extintas apresentaram muitas semelhanças com parentes modernas. Por exemplo, a figura 1 do artigo original (veja aqui) mostra o espectro de infravermelho para a Araucaria haatii (fóssil, do Cretáceo Superior) e da Araucaria bidwillii (encontrada nos dias de hoje). As diferenças na parte direita da figura 1 indicam a ausência de polissacarídeos (celulose e hemicelulose) na amostra fossilizada, provavelmente decompostos no processo de diagênese. A região à esquerda mostra a presença de compostos contendo alcenos e alcano alifáticos, tanto na amostra fóssil quanto na da planta atual.

Quando o método de análise de agrupamentos foi aplicado aos espectros de infravermelho das amostras fósseis, obteve-se um agrupamento semelhante ao observado para suas parentes modernas. Em outras palavras, as espécies de ginkgo extintas se agrupavam quimicamente, assim como as cicadófitas e as coníferas. Foi a primeira vez que plantas fossilizadas de dezenas de milhões de anos (segundo a cronologia evolucionista) foram classificadas com segurança de acordo com suas assinaturas químicas.

No que se refere à questão da origem da vida, chama a atenção aqui a alegada preservação de moléculas orgânicas por um período de tempo tão extenso. Estamos falando de algo próximo a 200 milhões de anos! Moléculas orgânicas são muito frágeis. Em um laboratório de pesquisa, é comum que os compostos sintetizados ao longo de um trabalho sejam armazenados a baixas temperaturas para evitar degradação. Boa parte dos reagentes químicos é estocada em frascos âmbar para diminuir as chances de reações iniciadas por luz e são mantidos bem fechados para evitar o contato com oxigênio e umidade. Mesmos assim, os reagentes químicos possuem prazos de validade e, após alguns meses ou anos, apresentam alterações. É realmente muito difícil aceitar a proposta de que alcenos tenham permanecido quase intactos por milhões e milhões de anos. Não seria a presença dessas moléculas evidência de que a fossilização foi bem mais recente do que normalmente se aceita? Afinal, a fossilização, particularmente a de plantas, é um evento relativamente rápido, contado em períodos de anos e décadas (confira aqui).


Referências

V, Vajda, M. Pucetaite, S. McLoughlin, A. Engdahl, J. Heimdal, P. Uvdal, Molecular signatures of fossil leaves provide unexpected evidence for extint plant relatioship, Nature Ecology & Evolution, vol 1, p. 1093-1099, 2017.

Lund University News and Press Releases, Through fossil leaves, a spet towards Jurassic Park, (http://www.lunduniversity.lu.se/article/through-fossil-leaves-a-step-towards-jurassic-park), acessado em 16 de agosto de 2017.