A teoria da evolução de Darwin por seleção natural está incompleta sem a contribuição do anti-herói Lamarck
Muito da biologia moderna é baseada na teoria da evolução de Charles Darwin como um processo de seleção natural, quando a natureza escolhe os organismos mais fortes e adaptados para se reproduzir, aumentar a população e sobreviver. Esse processo também é chamado de adaptação, e adaptativo são as características que ajudam o corpo a sobreviver melhor do que outros. À medida que novas modificações de organismos mudam e se enraízam, as espécies aparecem e se desenvolvem. Na década de 1850, quando Darwin descreveu o motor da seleção natural, os mecanismos moleculares subjacentes ainda não eram conhecidos. Mas os avanços na genética e na biologia molecular do século passado delinearam os princípios básicos da moderna teoria neodarwiniana de como a evolução funciona: as sequências de DNA sofrem mutações aleatórias,e aqueles organismos cujo DNA é mais bem adaptado ao ambiente se multiplicam e dominam. Essas espécies prevalecem até que as condições ambientais comecem a mudar e o motor da evolução comece novamente.
Mas se assumirmos que outros mecanismos moleculares também desempenham um papel no desenvolvimento das espécies, então essa explicação da evolução acaba sendo incompleta. O problema com a teoria de Darwin é que enquanto as espécies desenvolvem propriedades mais adaptativas (chamadas de fenótipos em biologia), a taxa em que as mutações aleatórias ocorrem nas sequências de DNA é muito lenta para explicar muitas das mudanças observadas. Cientistas bem cientes desse problema sugerem uma série de mecanismos genéticos compensatórios: deriva do gene, quando ocorrem mudanças genéticas sérias em um pequeno grupo de organismos, ou epistasia, quando um conjunto de genes suprime outro. E esses são apenas dois de muitos exemplos.
Mas mesmo com esses mecanismos em mente, a taxa de mutação genética entre organismos complexos como os humanos é significativamente menor do que a taxa de mudança em uma série de características, desde a regulação metabólica até a resistência a doenças. A rápida manifestação de uma variedade de características é difícil de explicar apenas pelos métodos da genética clássica e da teoria neodarwiniana. Para citar o eminente biólogo evolucionário Jonathan BL Bard, parafraseando TS Eliot: "Uma sombra caiu entre o fenótipo e o genótipo."
Os pontos problemáticos da teoria de Darwin vão além da teoria da evolução e se estendem a outras áreas da biologia e da biomedicina. Por exemplo, se nossas características são determinadas pela hereditariedade, então por que gêmeos idênticos com o mesmo conjunto de genes tendem a ter doenças diferentes? E por que apenas um pequeno número (frequentemente menos de 1%) daqueles que sofrem de doenças específicas têm mutações genéticas comuns? Se a taxa de mutações é aleatória e uniforme, então por que a proporção de muitas doenças aumentou dez vezes em apenas algumas décadas? Por que centenas de tipos de poluição ambiental mudam as circunstâncias do início das doenças, mas não a sequência de DNA do doente? Na evolução e na biomedicina, a taxa de formação de desvios das características fenotípicas é muito maior do que a taxa de mudanças genéticas e mutações, mas por quê?
Algumas respostas podem ser encontradas nas idéias de Jean-Baptiste Lamarck, publicadas 50 anos antes da publicação da obra de Darwin. A teoria de Lamarck, há muito tempo jogada para a lata de lixo da história, argumentava, entre outras coisas, que "o ambiente modifica propriedades que são então herdadas por novas gerações". Lamarck foi professor de zoologia de invertebrados no Museu Nacional de História Natural de Paris, e no final do século 18 e início do 19 ele estudou uma variedade de organismos, incluindo insetos e vermes. Foi ele quem introduziu as palavras "biologia" e "invertebrados" no léxico científico, sendo também autor de vários livros sobre biologia, invertebrados e evolução. Apesar de sua notável carreira científica, Lamarck, com suas ideias evolucionistas blasfemas, foi negado por muitos contemporâneos, bem como por cientistas pelos próximos 200 anos.
Inicialmente, Lamarck foi condenado como herege religioso, e hoje seu nome é lembrado apenas como uma piada, por causa do conservadorismo da ciência e, principalmente, da inviolável teoria da evolução de Darwin. No final de sua jornada científica, o próprio Lamarck mudou suas crenças: mesmo sem a confirmação do campo da biologia molecular, ele viu que mudanças aleatórias não podem se tornar uma prova completa de sua teoria.
A questão é esta: se as mutações genéticas não são afetadas apenas pela seleção natural, então quais são as forças moleculares que moldam o conjunto completo de mudanças nas características necessárias para completar o trabalho da seleção natural? Uma das pistas foi encontrada quase um século depois que Darwin apresentou sua teoria. Em 1953, quando James Watson e Francis Crick estavam desvendando os mistérios do DNA e da dupla hélice, o biólogo evolucionário Conrad Waddington, da Universidade de Edimburgo, relatou que estímulos químicos externos ou mudanças de temperatura durante o desenvolvimento embrionário poderiam causar o aparecimento de várias variantes da estrutura da asa em Drosophila. As mudanças que as ações do cientista causaram nos organismos de uma geração foram posteriormente repassadas para a prole. Para explicar esse mecanismo de mudança rápida, Waddington cunhou o termo moderno epigenética. Deve-se notar que Waddington estava ciente da importância de sua descoberta para a teoria da evolução, mesmo antes de Watson e Crick deduzirem dados sobre a estrutura do DNA. Mudanças na estrutura das asas de uma geração de Drosophila confirmaram as idéias originais do herege Lamarck. Descobriu-se que o ambiente é capaz de influenciar diretamente as características do organismo.que o meio ambiente pode afetar diretamente as características do organismo.que o meio ambiente pode afetar diretamente as características do organismo.
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Embora Waddington descrevesse o papel geral da epigenética, ele não sabia mais sobre elementos e mecanismos moleculares do que Darwin ou Lamarck. Mas quanto mais profunda a biologia molecular decodifica o modo como a vida funciona, mais significativos se tornam os conceitos de Waddington - e de Lamarck. Na verdade, a grande maioria dos fatores ambientais não pode afetar diretamente a sequência molecular do DNA, mas eles regulam muitos mecanismos epigenéticos que controlam as funções do DNA: eles desencadeiam ou extinguem a expressão gênica, ditam as formas de expressão nas células de proteínas - o produto de nossos genes.
Hoje, existe uma definição precisa de epigenética - é um conjunto de fatores moleculares que determinam como o DNA funciona e quais genes se manifestam, independentemente da própria sequência de DNA. A epigenética inclui vários processos moleculares que afetam significativamente a atividade do genoma sem alterar a sequência de DNA nos próprios genes.
Um dos processos mais comuns desse tipo é a metilação do DNA, quando componentes moleculares chamados grupos metil (feitos de metano) são anexados ao DNA, que ativam e desativam genes e regulam a expressão gênica. Foi demonstrado que fatores ambientais, como temperatura e estresse emocional, podem alterar o curso da metilação do DNA, e as mudanças podem se tornar parte de um programa permanente e começar a ser herdadas pelas gerações subsequentes. Esse processo é conhecido como herança epigenética.
Outro importante processo epigenético descoberto nos últimos anos é a modificação das histonas. Histonas são proteínas que se ligam ao DNA e mudam sua estrutura, e o DNA, por sua vez, envolve as histonas como contas em um fio. A combinação de DNA e histonas é chamada de estruturas de cromatina, e as espirais, laços e cordas na cromatina são uma resposta ao estresse ambiental que pode alterar permanentemente a expressão gênica.
Mais recentemente, os cientistas documentaram o processo de metilação do RNA, no qual grupos metil são ligados a moléculas auxiliares, alterando a expressão gênica e a produção de proteínas nas gerações subsequentes. Além disso, a ação dos chamados RNAs não codificantes, pequenas moléculas de RNA que se ligam ao DNA, RNA e proteínas, também altera a expressão gênica independentemente da sequência de DNA.
Todos esses mecanismos de epigenética são críticos e desempenham um papel importante na regulação molecular das funções do DNA. Segue-se disso que as normas da biologia nunca são construídas apenas em processos genéticos ou epigenéticos. Ao contrário, os processos da genética e da epigenética estão interligados. Um não funciona sem o outro.
De acordo com as leis da epigenética, para que uma mudança tenha impacto na evolução, ela deve ser herdada por gerações subsequentes na forma de sequências de DNA ou mutações genéticas. Mas a herança epigenética não se correlaciona com muitas das leis de Mendel que se aplicam à genética clássica ou à teoria da evolução neodarwiniana. De acordo com essas regras, as sequências de DNA e genes funcionam separadamente, como partículas: durante a reprodução, "partículas" de um dos pais são combinadas aleatoriamente com um par do outro pai, o que leva ao surgimento de uma nova sequência de DNA e uma nova manifestação de características hereditárias.
Em contraste, a herança epigenética ocorre quando a linha germinal (espermatozoide ou óvulo) transmite informações epigenéticas de uma geração para a seguinte, mesmo na ausência de fatores ambientais diretos de longo prazo. Esses fatores, como o estresse ambiental, são especialmente fortes durante o desenvolvimento embrionário, por exemplo, durante o período em que os órgãos reprodutivos do feto são transformados em testículos nos machos e ovários nas fêmeas, a fim de produzir espermatozoides e óvulos em uma idade posterior. De fato, os fatores ambientais neste momento crítico podem induzir mudanças epigenéticas permanentes por meio da metilação do DNA, modificações de histonas e rearranjo de RNAs não codificantes.
Em 2000, minha equipe na Universidade de Washington recebeu evidências dessa forma não genética de herança, e isso é bastante convincente. As descobertas, que meu grupo publicou na Science em 2005, mostraram que produtos químicos no meio ambiente podem promover a transmissão de certas doenças em três gerações de ratos e além, mesmo sem exposição prolongada. Posteriormente, ou seja, nos últimos dez anos, esse fenômeno foi documentado por diversos laboratórios para várias espécies. Um exemplo é um relatório de Graham Burdge e sua equipe da Universidade de Southampton, Reino Unido, sobre como os ratos superalimentados causaram distúrbios metabólicos epigenéticos nas três gerações seguintes.
Em outro trabalho, Sibum Sung e colegas da Universidade do Texas em Austin descobriram que a seca e as flutuações de temperatura causam a evolução epigenética das plantas, resultando em gerações de mudanças em seu crescimento e floração. De acordo com uma série de estudos, o estresse ambiental pode contribuir para mudanças epigenéticas que são transmitidas às gerações subsequentes e causar patologias nas mesmas. Um estudo recente de Gerlinde Metz e seus colegas da Universidade de Lethbridge, no Canadá, mostrou que, quando ratas grávidas eram presas ou forçadas a nadar, ocorriam danos epigenéticos que ameaçavam bebês recém-nascidos. Esse estresse genérico desencadeou uma cadeia de herança epigenética de anormalidades ao longo de várias gerações ao longo da linha da mulher estressada. O papel do estresse ambiental na herança epigenética de doenças ao longo de várias gerações é agora apoiado por vários outros estudos.
A herança epigenética sob a influência de fatores ambientais é observada em plantas, insetos, peixes, pássaros, roedores, porcos e humanos. Portanto, é um fenômeno muito persistente. Foi demonstrado que a herança transgeracional epigenética de vários traços fenotípicos e doenças ocorre na maioria dos organismos em pelo menos dez gerações, e os estudos mais extensos estudaram centenas de gerações de plantas. Por exemplo, até Carl Linnaeus no século 18 percebeu que a floração nas plantas pode ser causada por um aumento na temperatura e, mais tarde, descobriu-se que isso se deve a modificações na metilação do DNA na primeira planta da cadeia, e a característica persiste por cem gerações. Nos vermes, os sinais causados por mudanças na nutrição se estendem por mais de 50 gerações. Em mamíferos,cada geração de vida mais longa, descobrimos desvios da norma causados pela influência de toxinas, espalhando-se pelas próximas dez gerações. A maioria desses estudos mostra que as características transgeracionais continuam ao invés de degenerar. Mesmo na experiência de Waddington com moscas, era uma questão de 16 gerações, e todas tinham propriedades alteradas que continuam a ser transmitidas de uma geração a outra até hoje.que continuam a ser transmitidos de uma geração a outra até hoje.que continuam a ser transmitidos de uma geração a outra até hoje.
Mudanças no meio ambiente estão literalmente mudando a biologia, e isso está amplamente de acordo com a suposição de Lamarck. Mesmo que a exposição seja de curta duração, as modificações biológicas que se manifestam em certas características ou doenças são transmitidas entre gerações.
O meio ambiente desempenha um papel essencial na evolução. Em um sentido darwiniano, ele determina quais indivíduos e espécies sobreviverão na máquina implacável da seleção natural. Mas um grande número de fatores ambientais também pode influenciar a evolução e a biologia diretamente, ou seja, por meio da epigenética: as propriedades do corpo podem mudar sob a influência da temperatura ou da luz, ou em resposta a parâmetros nutricionais como uma dieta rica em gorduras ou restrição calórica. Uma variedade de produtos químicos e toxinas das plantas e do meio ambiente em geral podem afetar as mudanças fenotípicas e a saúde.
Um exemplo que estudamos em nosso laboratório envolveu efeitos químicos na variabilidade de sinais e doenças. Nós examinamos a capacidade da toxina vinclozolina, o fungicida mais comumente usado na agricultura, de influenciar características por meio de mudanças epigenéticas. Primeiro, expusemos uma rata grávida a esse fungicida, após o que esperamos três gerações por sua prole, sem usar mais a toxina. Quase todos os homens apresentaram diminuição do número e da viabilidade dos espermatozóides e, com a idade, dos casos de infertilidade. Também observamos uma série de outros estados de doença em homens e mulheres, três gerações separadas da exposição direta à toxina. Entre essas condições estavam anormalidades nas funções dos testículos, ovários, rins, próstata, glândulas mamárias e cérebro. As alterações epigenéticas correspondentes nos espermatozóides acarretam alterações na metilação do DNA e na expressão de RNAs não codificantes.
Nosso estudo mostrou que a exposição à toxina vinclozolina levou à seleção sexual três gerações adiante. Para observar a seleção sexual, ou preferência de parceiro, que tem sido considerada a principal força motriz da evolução desde que Darwin apresentou sua teoria, as fêmeas de outras ninhadas tiveram a oportunidade de escolher entre a prole masculina do indivíduo exposto e outros machos. Na esmagadora maioria dos casos, as mulheres escolheram aqueles que não apresentavam alterações epigenéticas transgeracionais, ou seja, os homens cujos ancestrais não foram afetados pela toxina. Em outras palavras, a influência do fungicida alterou para sempre a epigenética dos espermatozoides da prole, o que, por sua vez, indica o caráter hereditário das características da seleção sexual, que, como se sabe,visa reduzir a propagação de genes em uma população e afeta diretamente a evolução em uma escala microevolutiva.
Em outro estudo recente, tocamos na escala macroevolutiva da evolução - especiação. Um dos exemplos clássicos de especiação são os tentilhões de Darwin nas Ilhas Galápagos. Um grupo de tentilhões da mesma espécie produziu dezesseis novas espécies, que diferiam em tamanho e apresentavam variabilidade em outras características, como a estrutura do bico. Nossa equipe decidiu explorar cinco espécies diferentes. Seguimos as mutações das sequências de DNA de uma espécie para outra, mas o número de mudanças epigenéticas na metilação do DNA (epimutações) foi maior e mais correlacionado com a distância filogenética entre as espécies (linhagem). Embora atualmente haja mais ênfase nos conceitos genéticos neodarwinianos, nossas descobertas sugerem que a epigenética desempenha um papel na especiação e na evolução dos tentilhões de Darwin.
O reconhecimento do papel da epigenética na evolução continua a crescer. Um estudo interessante compara o DNA de Neandertal e humano, e está claro que as diferenças genéticas são marcadamente menos pronunciadas do que as epigenéticas em relação às mudanças na metilação do DNA nos genomas. Em suma, combinar conceitos neo-lamarckianos e neodarwinianos em uma teoria fornece uma base molecular muito mais eficiente para a evolução.
A evolução é influenciada por mecanismos neo-darwinianos e neo-lamarckianos, e eles parecem estar intimamente relacionados. Na verdade, uma vez que a epigenética ambiental pode aumentar a variabilidade das características dentro de uma população, ela expande as possibilidades da seleção natural, na qual as características adaptativas dominam todas as outras. A evolução neodarwiniana clássica baseia-se na mutação genética e na variação genética como o principal mecanismo molecular que cria diversidade. A esses mecanismos soma-se o fenômeno da epigenética, que aumenta diretamente o número de variações nos traços, o que aumenta as chances de o ambiente se tornar um mediador no processo de evolução e seleção natural.
Uma consideração adicional crítica para nós é a capacidade da epigenética de alterar a estabilidade do genoma e, assim, induzir diretamente as mutações genéticas que são observadas na biologia do câncer. Essas mutações genéticas incluem variações no número de cópias (o número de repetições de uma sequência curta de DNA) e mutações pontuais (mudanças em nucleotídeos individuais fora da sequência de DNA) nas gerações subsequentes. Sabe-se que quase todas as mutações genéticas possuem precursores epigenéticos - alterações que aumentam o grau de suscetibilidade às mutações. Observamos como o impacto direto do meio ambiente na primeira geração não causou mutações genéticas, mas levou a alterações epigenéticas, e nas gerações subsequentes foi encontrado um aumento no número de mutações genéticas. Uma vez que a epigenética está associada à variabilidade de características,o mesmo ocorre com as mutações, ele acelera o motor da evolução, o que não pode ser feito por mecanismos darwinianos por conta própria.
Muitos são céticos em relação a uma teoria unificada da evolução, especialmente à luz do paradigma do determinismo genético, que influenciou as disciplinas biológicas por mais de 100 anos. O determinismo genético vê o DNA como o bloco de construção básico da biologia, e a sequência de DNA como o controle final no nível molecular.
Provavelmente, a figura mágica do determinismo genético era o sequenciamento do genoma humano, cujo objetivo era fornecer evidências conclusivas da primazia do gene. De acordo com as previsões, estudos de todo o genoma deveriam identificar marcadores biológicos de fenômenos normais e anormais da vida e destacar os pré-requisitos para doenças. Mas, após o advento do sequenciamento, a principal hipótese do determinismo genético - a afirmação de que a maior parte da biologia e das doenças humanas pode ser interpretada pelo prisma da genética - não foi confirmada.
A genética foi estudada por muitas gerações de cientistas e pelo público, mas poucos se voltaram para a ciência relativamente nova da epigenética: na prática, a inclusão da epigenética no estudo dos elementos moleculares da biologia e da evolução encontrou oposição. Tanto Watson, que desempenhou um papel na descoberta da estrutura do DNA, quanto Francis Collins, cujo trabalho no sequenciamento do genoma do DNA foi significativo, inicialmente questionaram a importância do fator epigenético, mas hoje ambos estão mais dispostos a favor. Francis Collins é agora o chefe do Instituto Nacional de Saúde dos EUA. No entanto, não é surpreendente que, após 100 anos de determinismo genético, muitos estejam resistindo a mudanças de paradigma.
Um mês depois de apresentar uma teoria unificada da evolução, publicada na Genome Biology and Evolution em 2015, David Penny, da Massey University da Nova Zelândia, sugeriu que a epigenética é simplesmente um componente genético sobre características herdadas. Outras publicações recentes, como um artigo de Emma Whitelaw, da Universidade La Trobe da Austrália, contestam o conceito de herança epigenética lamarckiana em mamíferos.
Apesar da oposição, estou convencido de que chegamos a um ponto em que uma mudança de paradigma é iminente. O reconhecimento de que a epigenética desempenhou um papel na evolução não refuta a importância da genética. Qualquer pessoa que leve em consideração as idéias neo-lamarckianas não está de forma alguma desafiando a teoria neodarwiniana clássica. Os ensinamentos reconhecidos são importantes e precisos, mas são peças de um material mais amplo e detalhado que expande nossa compreensão integrando todas as nossas observações em um todo coerente. A teoria unificada mostra como o ambiente simultaneamente influencia a diversidade fenotípica e simplifica a seleção natural, conforme mostrado no diagrama acima.
Cada vez mais biólogos evolucionistas estão demonstrando um interesse crescente no papel da epigenética, uma série de modelos matemáticos já foram criados que combinam genética e epigenética em um único sistema, e este trabalho valeu a pena. Olhar para a epigenética como um mecanismo molecular complementar ajuda a entender fenômenos como deriva do gene, assimilação genética (quando um traço desenvolvido em resposta a condições ambientais acaba sendo codificado nos genes) e até mesmo a teoria da evolução neutra, segundo a qual a maioria das mudanças ocorre. não em resposta à seleção natural, mas por acaso. Ao introduzir um mecanismo molecular expandido para observação por biólogos, os novos modelos criam um cenário mais profundo, mais refinado e mais preciso para a evolução geral.
Tomados em conjunto, esses dados exigem que repensemos o antigo padrão, o determinismo genético, em busca de lacunas. Em 1962, Thomas Kuhn sugeriu que, quando surgem anomalias no paradigma atual, é preciso atentar para os novos conhecimentos: é assim que nasce a revolução científica.
Uma teoria unificada da evolução deve combinar aspectos neo-darwinianos e neo-lamarckianos para ampliar nossa compreensão de como o ambiente afeta o processo evolutivo. Pelo bem de Darwin, não se pode descontar a contribuição de Lamarck há mais de 200 anos. Pelo contrário, deve ser levado em consideração para criar uma teoria mais convincente e abrangente. Da mesma forma, a genética e a epigenética não podem ser vistas como áreas conflitantes, pelo contrário, devem ser combinadas para obter uma gama mais ampla de fatores moleculares e, com a ajuda deles, explicar o que move nossa vida.
