Entre os anfíbios, a salamandra Hydromantes é a campeã em velocidade de disparo da língua. Em menos de cinco milissegundos, ela pode pegar um infeliz inseto em vôo - desta vez inclui o trabalho dos músculos, cartilagem e partes do esqueleto. Se você comparar essa anatomia balística com sapos e camaleões, os últimos são chalupas. David Wake, biólogo evolucionário da Universidade da Califórnia, Berkeley, diz: “Passei cerca de 50 anos estudando a evolução das línguas das salamandras. Isso é realmente interessante, porque em geral eles não diferem em alta velocidade, mas mesmo assim podem fazer o movimento mais rápido daqueles que estão disponíveis para os vertebrados que eu conheço. Ao longo de seu desenvolvimento, a evolução encontrou uma maneira mais eficiente de garantir uma caça bem-sucedida com a linguagem. Sua adaptação aparentemente única parece serdesenvolvido de forma independente em três espécies de salamandras não relacionadas. Este é um exemplo de evolução convergente, quando diferentes indivíduos desenvolvem de forma independente adaptações biológicas semelhantes sob a influência dos mesmos fatores ambientais. Salamandras são um exemplo favorito que Wake cita quando questionado sobre a velha questão da biologia evolutiva: se você rebobinar a fita da evolução, ela se repetirá? Aparentemente, foi isso o que aconteceu com as salamandras; com outros organismos isso pode não ter acontecido.se você rebobinar a fita da evolução, ela se repetirá? Aparentemente, foi isso o que aconteceu com as salamandras; com outros organismos isso pode não ter acontecido.se você rebobinar a fita da evolução, ela se repetirá? Aparentemente, foi isso o que aconteceu com as salamandras; com outros organismos isso pode não ter acontecido.
Sabe-se que essa questão foi colocada pela primeira vez pelo biólogo evolucionário recém-falecido Stephen Jay Gould em 1989 em Amazing Life: The Burgess Slates and the Nature of History, que foi publicado em uma época em que as pessoas ainda ouviam música em fitas cassete. O livro falava sobre os fósseis encontrados no xisto de Burgess, remanescentes de uma miríade de estranhos animais que viveram em nosso planeta há cerca de 520 milhões de anos, durante o período cambriano. Quase todos os animais que existem hoje têm ancestrais que viveram no Cambriano, mas nem todos os animais daquela época têm descendentes em nossa era. Muitos indivíduos cambrianos foram extintos porque não eram suficientemente adequados para a luta pela sobrevivência ou porque estavam no lugar errado na hora errada quando os vulcões explodiram, caíram meteoritos ou outros eventos devastadores ocorreram.
Gould viu a incrível variedade de restos de animais em Burgess e especulou que nossa flora e fauna seriam diferentes se a história tivesse mudado de direção. Ele sugeriu que mutações caóticas e extinções de espécies, que ele chamou de "acidentes históricos", seriam construídas umas sobre as outras, movendo a evolução em uma direção ou outra. Segundo Gould, a existência de qualquer animal, inclusive o homem, é um fenômeno raro, cuja repetição, no caso de "rebobinar e lançar" do período cambriano, é improvável. Em seu livro, Gould frequentemente se refere ao trabalho sobre o fóssil de Burgess, do paleontólogo Simon Conway Morris, da Universidade de Cambridge, mas o próprio cientista discorda veementemente do ponto de vista de Gould.
Conway Morris acredita que, com o tempo, a seleção natural força os organismos a passar por uma série de adaptações para preencher os nichos ecológicos limitados da Terra. Isso leva ao fato de que espécies não relacionadas convergem consistentemente na estrutura corporal. “Os animais têm que se construir de acordo com as exigências físicas, químicas e biológicas deste mundo”, disse ele. Conway está convencido de que tais restrições tornam quase inevitável que, no caso de "rebobinar a fita", a evolução levaria mais cedo ou mais tarde ao surgimento de organismos semelhantes aos que existem em nosso mundo. Se nossos ancestrais macacos não tivessem desenvolvido um cérebro e a mente apegada a ele, segundo o cientista, outro ramo, como corvos ou golfinhos, poderia ocupar o nicho em que o homem está agora. Mas Gould discorda.
Ambos os cientistas reconhecem que a aleatoriedade e a convergência (desenvolvimento independente até o aparecimento de sinais semelhantes - aprox. Novo porquê) ocorrem na evolução. Em vez disso, a discussão se concentra em quão únicas ou repetíveis adaptações-chave como a mente humana são. Nesse ínterim, outros biólogos resolveram o quebra-cabeça e mostraram como a convergência e a aleatoriedade afetam uma à outra. Compreender a interação dessas forças pode nos ajudar a descobrir se tudo que vive é o resultado de coincidências da sorte ao longo de 7 bilhões de anos, ou se todos nós - humanos e salamandras - somos parte da inevitabilidade, como a morte ou os impostos.
Em vez de tentar recriar a história usando fósseis, Richard Lenski, um biólogo evolucionário da Universidade de Michigan, decidiu observar os fenômenos de convergência e acaso em tempo real no ambiente controlado de seu laboratório. Em 1988, ele dividiu a população de bactérias Escherichia coli e as colocou em 12 reservatórios separados de meios de cultura líquidos, permitindo assim que crescessem independentemente umas das outras. Há 26 anos, a cada poucos meses, ele ou um de seus alunos tem congelado um lote de bactérias. Este kit de germe congelado dá a Richard a capacidade de "reiniciar o filme" do ciclo de vida da E. coli a partir de qualquer momento que ele quiser, simplesmente descongelando uma porção. Durante todo o processo, ele pode verificar,como as bactérias mudam - tanto em termos de genética quanto em termos do que só pode ser visto ao microscópio. Lenski explica: "Todo o experimento foi feito para testar o quão repetível é a evolução."
Em 11 reservatórios de Lenski, a E. coli cresceu de tamanho, mas as bactérias na décima segunda amostra se dividiram em dois ramos independentes - um com células grandes e outro com células pequenas. Lenski diz: “Nós os chamamos de 'grandes' e 'pequenos'. Já coexistem há 50 mil gerações”. Isso não aconteceu em nenhuma outra população; portanto, podemos concluir que ocorreu um evento evolutivamente aleatório. E mesmo 26 anos depois, nenhum outro julgamento repetiu o aparecimento de tal ramo. Assim, nesta situação, o acaso parece ter prevalecido sobre a convergência.
Em 2003, houve outro episódio acidental. O número de bastonetes em um dos reservatórios aumentou tanto que o meio de cultura, normalmente transparente, fica turvo. A princípio, Lenski decidiu que havia uma contaminação normal do meio ambiente, mas como se constatou, a E. coli, que normalmente se alimentava apenas de glicose dissolvida em líquido, desenvolveu a capacidade de consumir outro elemento contido nos reservatórios: o citrato. Depois de 15 anos e 31.500 gerações, apenas uma das colônias foi capaz de processar essa substância. O número de bactérias nele começou a crescer 5 vezes mais rápido do que em outras colônias.
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Este "acidente histórico" deu a Richard e seu graduado Zachary Blount a oportunidade de testar a probabilidade de tal evento acontecer novamente se eles "rebobinassem a fita". Blount selecionou do armazenamento 72 amostras de palitos congelados coletados em diferentes estágios do experimento de uma população que mais tarde foi capaz de incorporar citrato em seu metabolismo. Ele os descongelou e estimulou sua reprodução. Logo, 4 de 72 amostras desenvolveram a mesma capacidade de consumir citrato. Curiosamente, essas mutações ocorreram apenas em populações congeladas após um ciclo de 30.500 gerações. A análise genética mostrou que não muito antes disso, vários genes passaram por mudanças que contribuíram para o surgimento da evolução com o metabolismo do citrato. Em outras palavras, a capacidade de absorver citrato dependia da ocorrência de outras mutações que a precederam. Isso criou uma bifurcaçãomudando os caminhos possíveis que as gerações futuras podem seguir.
Conhecido como Long Term Evolutionary Experiment, este projeto de E. coli já cruzou 60.000 gerações, dando a Richard um sólido conjunto de dados para tirar conclusões sobre as interações do acaso e da convergência na evolução. Mudanças sutis no DNA das bactérias, tornando-as maiores ou mais capazes de se reproduzir rapidamente, tornaram-se eventos frequentes em vários reservatórios. Ao mesmo tempo, Lenski testemunhou eventos aleatórios "surpreendentes" nos quais algo completamente diferente dos outros ocorreu em uma das populações. Mas, como no fenômeno da convergência, tais transformações não foram completamente aleatórias.
"Nem tudo é possível", seja qual for o processo, Wake explica: "Os organismos se desenvolvem no contexto de características herdadas." Os animais não podem transmitir mutações destrutivas ou que impeçam a reprodução. No caso da salamandra Hydromantes, seus ancestrais tiveram que superar uma limitação significativa: para obter suas línguas de tiro, era necessário sacrificar seus pulmões. Isso ocorre porque parte desse mecanismo se desenvolveu a partir dos músculos usados por seus predecessores para bombear ar para os pulmões. Hoje, esse músculo antes pequeno e fraco tornou-se muito maior e mais forte. Ele se enrola como uma mola em torno do osso em forma de cone na parte posterior da cavidade oral e, quando o músculo se contrai, o osso cria tensão, que dispara a língua junto com seu aparelho ósseo da boca. Assim, os ancestrais dos Hydromantes não adquiriram apenas uma mutação,que evoluiu para uma "linguagem balística". Em vez disso, essa adaptação seguiu uma série de mudanças que primeiro permitiram que a criatura superasse sua dependência pulmonar do oxigênio e flutuasse até a superfície da água. Cada mudança dependia da anterior.
Os camaleões, por sua vez, mantiveram seus pulmões. Em vez de mexer em sua anatomia, eles desenvolveram colágeno, permitindo que a língua atire na presa. À primeira vista, as línguas das salamandras e dos camaleões são um exemplo de convergência, mas se você olhar de perto, fica claro que não é assim. Um camaleão leva 20 milissegundos para disparar, o que é o passo de um caracol em comparação com os cinco milissegundos das salamandras. Por que os camaleões adquirem linguagens tão lentas? Resposta: Eles enfrentaram um obstáculo no caminho da evolução convergente. A língua do camaleão é rápida o suficiente para eles sobreviverem, mas eles não têm a "estrutura característica herdada" para desenvolver a anatomia balística mais mortal das salamandras. Os camaleões atingiram um “pico adaptativo”, como dizem os biólogos.
Em experimentos com vírus que infectam bactérias - bacteriófagos - o biólogo de Harvard David Liu também descobriu picos adaptativos. Esses picos limitam a capacidade dos organismos de convergir em uma estrutura ótima. Eles explicam por que os acidentes não acontecem com frequência.
Liu queria saber se grupos idênticos de bacteriófagos poderiam desenvolver independentemente a mesma enzima se a mesma pressão evolutiva fosse aplicada a eles. Ele acelerou a evolução das proteínas em vírus usando um sistema que chamou de PACE.
Durante o experimento, os vírus que não conseguiram produzir a enzima de que Liu precisava foram removidos do experimento. Restavam apenas aqueles que haviam alcançado a meta. Alguns deles revelaram a enzima "melhor" do que outros. Nesse caso, eles precisavam da enzima polimerase, que detecta uma determinada sequência de DNA e a transforma em RNA, e algumas polimerases reconhecem a sequência com mais precisão do que outras. Como a linguagem relativamente lenta dos camaleões, esses vírus desenvolveram adaptações que os permitem sobreviver, mas os impedem de obter a melhor polimerase. Alguns vírus ficaram presos em um pico baixo, alguns subiram mais alto.
Para entender o que os biólogos entendem por picos adaptativos, imagine uma área cuja topografia represente níveis altos e baixos de potencial reprodutivo. No caso dos bacteriófagos de Liu, diferentes populações estudaram a área, adquirindo diferentes mutações. Alguns acabaram em pequenas colinas, alguns em montanhas do tamanho do Everest. E então eles começaram a subir até o topo que chegaram. Tendo escalado uma montanha baixa, os vírus não podem se mover para outra montanha mais alta. Para fazer isso, eles primeiro terão que voltar para baixo, reduzindo suas chances de sobrevivência a cada passo. É muito difícil fazer isso, porque não se deve esquecer a sobrevivência do mais apto. Qual mutação vai acontecer antes das outras - qual pico vai para o corpo - este é um acidente histórico, que a evolução convergente só pode superar com grande dificuldade,se puder.
O momento do aparecimento das mutações é importante. “Os primeiros eventos aleatórios que criam uma diferença no pool genético podem afetar significativamente se uma mutação benéfica pode afetar a sobrevivência de um organismo”, explica Liu. "Esses acidentes reduzem a repetibilidade da evolução." Neste experimento, a aleatoriedade superou a convergência. Os eventos que aconteceram impediram a recorrência.
Uma maneira pela qual a vida pode superar as limitações dos picos adaptativos foi descoberta durante o estudo de organismos digitais por biólogos da computação na Michigan State University, Chris Adami e Charles Ofria. Eles criaram o programa de computador Avida, no qual organismos digitais evoluem sob condições definidas pelo experimentador. Os avidianos sofrem mutações, adquirindo e perdendo aleatoriamente linhas de código que lhes permitem resolver problemas matemáticos, o que aumenta sua capacidade de reprodução.
Em um experimento, os Avidianos foram encarregados de obter a capacidade de resolver o complexo problema lógico da "identidade bit a bit". Apenas 4 de 50 populações digitais desenvolveram o código necessário para realizar a operação. Todas as populações bem-sucedidas inicialmente receberam muitas mutações (linhas de código aleatórias) que complicam a solução de problemas matemáticos e, portanto, a reprodução. Por mais paradoxal que pareça, Ofria descobriu que as primeiras mutações ruins desempenham um papel fundamental na melhoria da aptidão nas gerações posteriores, possivelmente porque criam diversidade genética a partir da qual podem surgir novas mutações aleatórias.
A raridade de qualquer uma das sequências de eventos confirma que as grandes reviravoltas na evolução provavelmente não acontecerão novamente? Experimentalmente, isso é verdade, mas Conway Morris diz firmemente que não. “É tolice pensar que não existem acidentes. A única questão é o tempo. Ele acredita que com tempo suficiente e genomas de mutação, a seleção natural levará a vida a adaptações inevitáveis que são mais adequadas para o nicho ecológico dos organismos, independentemente das chances que surjam. Ele acredita que um dia todas as bactérias E.coli no experimento de Lenski começarão a absorver citrato e todos os vírus Liu escalarão o Monte Everest. Além disso, esses experimentos foram realizados em ambientes muito simples e controlados, ao contrário dos ecossistemas complexos aos quais a vida fora do laboratório se adapta. Difícil de dizer,a influência do mundo real teria mudado os experimentos.
Até o momento, a maior falha em todas as tentativas de responder à questão do filme da vida é que os biólogos podem tirar conclusões de apenas uma biosfera - a Terra. Um encontro com um organismo extraterrestre nos diria muito. Mesmo que os organismos alienígenas não tenham DNA, eles provavelmente exibirão padrões evolutivos semelhantes. Eles precisarão de algum material para ser repassado aos descendentes, orientando o desenvolvimento dos organismos e mudando ao longo do tempo. Como diz Lenski: "O que é verdade para E. coli é verdade para micróbios em todo o universo."
Portanto, a mesma interação entre convergência e acaso pode ser observada em outros planetas. E se a vida extraterrestre está passando por pressão evolutiva de um ambiente semelhante ao vivido pela vida terrena, as pessoas do futuro podem encontrar alienígenas que desenvolveram convergentemente inteligência semelhante à nossa. Por outro lado, se eventos aleatórios se acumulam, levando a vida por caminhos únicos, como sugeriu Gould, a vida extraterrestre pode ser incomumente estranha.
Gould acreditava que os humanos são "um evento evolutivo extremamente improvável". Como evidência, ele apontou que nos 2,5 bilhões de anos de vida na Terra, a inteligência humana apareceu apenas uma vez. Ele considerou que a probabilidade de outra espécie desenvolver uma inteligência como a nossa era fantasmagoricamente pequena. Pelo fato de sermos a única espécie inteligente no universo, podemos tirar conclusões que vão além da biologia. "Alguns vêem essa possibilidade como um motivo para depressão", escreveu Gould em The Wonderful Life. "Sempre a considerei revigorante, uma fonte de liberdade e, por consequência, uma responsabilidade moral."
Zach Zorich
A tradução foi realizada pelo projeto Novo
