Qual é a forma de vida mais estável e forte em nosso mundo? As baratas são famosas por sua vitalidade - muitas pessoas estão convencidas de que podem até sobreviver a um apocalipse nuclear. Tardígrados, ou ursos d'água, são ainda mais resistentes. Eles podem até sobreviver no espaço. Há uma alga vivendo nas nascentes de água fervente do Parque Nacional de Yellowstone. Em torno dele há água cáustica, aromatizada com arsênio e metais pesados. Para permanecer viva neste lugar mortal, ela usou um truque inesperado.
Qual é o segredo dela? Roubo. Ela rouba genes para sobrevivência de outras formas de vida. E essa tática é muito mais comum do que se possa imaginar.
A maioria dos seres vivos que vivem em lugares extremos são organismos unicelulares - bactérias ou arquéias. Essas formas de vida simples e antigas não têm biologia animal complexa, mas sua simplicidade é uma vantagem: elas lidam muito melhor com condições extremas.
Por bilhões de anos, eles se esconderam nos lugares mais inóspitos - no subsolo, no fundo do oceano, em permafrost ou em fontes termais ferventes. Eles percorreram um longo caminho, desenvolvendo seus genes ao longo de milhões ou bilhões de anos, e agora eles os ajudam a lidar com quase tudo.
Mas e se outras criaturas mais complexas pudessem simplesmente aparecer e roubar esses genes? Eles teriam realizado um feito evolutivo. De uma só vez, eles teriam adquirido a genética que lhes permitiu sobreviver em lugares extremos. Eles chegariam lá sem passar pelos milhões de anos de evolução tediosa e árdua que geralmente é necessária para desenvolver essas habilidades.
Isso é exatamente o que a alga vermelha Galdieria sulphuraria fez. Ele pode ser encontrado em fontes termais de enxofre na Itália, Rússia, Parque Yellowstone nos Estados Unidos e Islândia.
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As temperaturas nessas fontes termais chegam a 56 graus Celsius. Enquanto algumas bactérias podem viver em piscinas em torno de 100 graus, e algumas podem lidar com temperaturas em torno de 110 graus, perto de fontes do mar profundo, é bastante notável que os eucariotos sejam um grupo de formas de vida mais complexas que incluem animais e plantas (algas vermelhas - esta planta) - pode viver a uma temperatura de 56 graus.
A maioria das plantas e animais não seria capaz de suportar essas temperaturas, e por um bom motivo. O calor leva à destruição das ligações químicas dentro das proteínas, o que leva ao seu colapso. Isso tem um efeito catastrófico sobre as enzimas que catalisam as reações químicas do corpo. As membranas que envolvem a célula começam a vazar. Ao atingir uma determinada temperatura, a membrana colapsa e a célula se desintegra.
Ainda mais impressionante, no entanto, é a capacidade das algas de tolerar um ambiente ácido. Algumas fontes termais têm valores de pH entre 0 e 1. Os íons de hidrogênio com carga positiva, também conhecidos como prótons, tornam uma substância ácida. Esses prótons carregados interferem com proteínas e enzimas dentro das células, interrompendo as reações químicas vitais para a vida.
As temperaturas nessas fontes termais chegam a 56 graus Celsius. Enquanto algumas bactérias podem viver em piscinas em torno de 100 graus, e algumas podem lidar com temperaturas em torno de 110 graus, perto de fontes do mar profundo, é bastante notável que os eucariotos sejam um grupo de formas de vida mais complexas que incluem animais e plantas (algas vermelhas - esta planta) - pode viver a uma temperatura de 56 graus.
A maioria das plantas e animais não seria capaz de suportar essas temperaturas, e por um bom motivo. O calor leva à destruição das ligações químicas dentro das proteínas, o que leva ao seu colapso. Isso tem um efeito catastrófico sobre as enzimas que catalisam as reações químicas do corpo. As membranas que envolvem a célula começam a vazar. Ao atingir uma determinada temperatura, a membrana colapsa e a célula se desintegra.
Ainda mais impressionante, no entanto, é a capacidade das algas de tolerar um ambiente ácido. Algumas fontes termais têm valores de pH entre 0 e 1. Os íons de hidrogênio com carga positiva, também conhecidos como prótons, tornam uma substância ácida. Esses prótons carregados interferem com proteínas e enzimas dentro das células, interrompendo as reações químicas vitais para a vida.
Este fenômeno de transferência de genes é conhecido como "transferência horizontal de genes". Normalmente, os genes das formas de vida são herdados dos pais. Em humanos, é exatamente o caso: você pode rastrear suas características ao longo dos galhos de sua árvore genealógica até as primeiras pessoas.
No entanto, verifica-se que tanto agora como então genes "estranhos" de espécies completamente diferentes podem ser incluídos no DNA. Esse processo é comum em bactérias. Alguns argumentam que isso ocorre até em humanos, embora seja contestado.
Quando o DNA de outra pessoa adquire um novo proprietário, ele não precisa ficar ocioso. Em vez disso, ela pode começar a trabalhar na biologia do hospedeiro, encorajando-a a criar novas proteínas. Isso pode dar ao proprietário novas habilidades e permitir que ele sobreviva em novas situações. O organismo hospedeiro pode iniciar um caminho evolutivo completamente novo.
No total, Schoinknecht identificou 75 genes roubados da alga marinha, que pegou emprestado de bactérias ou arquéias. Nem todos os genes dão às algas uma vantagem evolutiva clara, e a função exata de muitos genes é desconhecida. Mas muitos deles ajudam Galdieria a sobreviver em ambientes extremos.
Sua capacidade de lidar com produtos químicos tóxicos como mercúrio e arsênico vem de genes emprestados de bactérias.
Um desses genes é responsável pela "bomba de arsênio" que permite às algas remover o arsênico das células de maneira eficaz. Outros genes roubados, entre outras coisas, permitem que as algas liberem metais tóxicos enquanto extraem metais importantes do meio ambiente. Outros genes roubados controlam enzimas que permitem às algas desintoxicar metais como o mercúrio.
As algas também roubaram os genes que permitem que resistam a altas concentrações de sal. Em circunstâncias normais, um ambiente salino vai sugar a água da célula e matá-la. Mas, ao sintetizar compostos dentro da célula para equalizar a "pressão osmótica", Galdieria evita esse destino.
Acredita-se que a capacidade de Galdieria de tolerar fontes termais extremamente ácidas se deva à sua impermeabilidade aos prótons. Em outras palavras, ela pode simplesmente impedir que o ácido entre em suas células. Para fazer isso, ele simplesmente inclui menos genes que codificam canais na membrana celular através dos quais os prótons normalmente passam. Esses canais geralmente permitem a passagem de partículas carregadas positivamente, como o potássio, de que as células precisam, mas também permitem a passagem de prótons.
"A adaptação ao baixo pH parece ter sido realizada pela remoção de qualquer proteína de transporte de membrana da membrana plasmática que permitiria que os prótons entrassem na célula", diz Scheunknecht. “A maioria dos eucariotos tem múltiplos canais de potássio em suas membranas plasmáticas, mas Galdieria tem apenas um gene que codifica um canal de potássio. Um canal mais estreito permite lidar com alta acidez."
No entanto, esses canais de potássio realizam um trabalho importante, absorvem potássio ou mantêm uma diferença de potencial entre a célula e seu ambiente. Como as algas permanecem saudáveis sem canais de potássio ainda não está claro.
Além disso, ninguém sabe como as algas lidam com o alto calor. Os cientistas não conseguiram identificar genes que explicariam essa característica particular de sua biologia.
Bactérias e arquéias, que podem viver em temperaturas muito altas, têm proteínas e membranas completamente diferentes, mas as algas passaram por mudanças mais sutis, diz Scheunknecht. Ele suspeita que isso altera o metabolismo dos lipídios da membrana em diferentes aumentos de temperatura, mas ainda não sabe exatamente como isso acontece e como permite que se adapte ao calor.
É claro que copiar genes dá a Galdieria uma enorme vantagem evolutiva. Enquanto a maioria das algas vermelhas unicelulares relacionadas com G. sulphuraria vivem em áreas vulcânicas e lidam com calor moderado e ácidos, poucos de seus parentes podem suportar tanto calor, ácido e toxicidade quanto G. sulphuraria. Na verdade, em alguns lugares, essa espécie é responsável por até 80-90% da vida - isso indica como é difícil para outra pessoa chamar a casa de G. sulphuraria de sua.
Resta mais uma questão óbvia e interessante: como as algas roubaram tantos genes?
Essa alga vive em um ambiente que contém muitas bactérias e arqueas, portanto, de certa forma, ela tem a capacidade de roubar genes. Mas os cientistas não sabem exatamente como o DNA saltou das bactérias para um organismo tão diferente. Para chegar ao hospedeiro com sucesso, o DNA deve primeiro entrar na célula e, em seguida, no núcleo - e só então se incorporar ao genoma do hospedeiro.
“As melhores suposições neste momento são que os vírus poderiam transferir material genético de bactérias e arqueas para algas. Mas isso é pura especulação”, diz Scheunknecht. “Talvez entrar em uma gaiola seja o passo mais difícil. Uma vez dentro da célula, entrar no núcleo e se integrar ao genoma pode não ser tão difícil.
A transferência horizontal de genes freqüentemente ocorre em bactérias. É por isso que estamos tendo problemas com resistência aos antibióticos. Quando um gene resistente aparece, ele se espalha rapidamente entre as bactérias. No entanto, acreditava-se que a troca gênica ocorre com menos frequência em organismos mais avançados do que em eucariotos. Acreditava-se que as bactérias tinham sistemas especiais que lhes permitiam aceitar ácidos nucléicos, como os eucariotos não.
No entanto, outros exemplos de criaturas avançadas que roubam genes para sobreviver em condições extremas já foram encontrados. A alga da neve Chloromonas brevispina, que vive na neve e no gelo da Antártica, carrega genes que provavelmente foram retirados de bactérias, arquéias ou mesmo fungos.
Cristais de gelo afiados podem perfurar e perfurar as membranas celulares, então criaturas que vivem em climas frios devem encontrar uma maneira de combater isso. Uma maneira é produzir proteínas de ligação ao gelo (IBPs), que são secretadas em uma célula que se agarra ao gelo, impedindo o crescimento de cristais de gelo.
James Raymond, da Universidade de Nevada em Las Vegas, mapeou o genoma da alga da neve e descobriu que os genes para proteínas de ligação ao gelo eram notavelmente semelhantes em bactérias, arquéias e fungos, sugerindo que todos eles trocaram a capacidade de sobreviver em condições frias durante o período horizontal transferência de genes.
“Esses genes são essenciais para a sobrevivência porque foram encontrados em todas as algas tolerantes ao frio e nenhuma em condições quentes”, diz Raymond.
Existem vários outros exemplos de transferência horizontal de genes em eucariotos. Minúsculos crustáceos que vivem no gelo marinho da Antártica também parecem ter adquirido essa habilidade. Esses Stephos longipes podem viver em canais de sal líquido no gelo.
“Medições de campo mostraram que C. longipes vive em salmouras super-resfriadas na superfície do gelo”, diz Rainer Kiko, cientista do Instituto de Ecologia Polar da Universidade de Kiel, na Alemanha. "Sub-resfriado significa que a temperatura desse líquido está abaixo de zero e depende da salinidade."
Para sobreviver e evitar o congelamento, as moléculas estão presentes no sangue de S. longipes e outros fluidos corporais que diminuem o ponto de congelamento para corresponder à água ao redor. Ao mesmo tempo, os crustáceos produzem proteínas não congelantes que impedem a formação de cristais de gelo no sangue.
Supõe-se que essa proteína também foi obtida por transferência horizontal de genes.
A bela borboleta monarca também pode ter genes roubados, mas desta vez de uma vespa parasita.
A lustrosa vespa da família Braconidae é conhecida por introduzir um ovo junto com um vírus em um inseto hospedeiro. O DNA do vírus invade o cérebro do hospedeiro, transformando-o em um zumbi, que atua como uma incubadora para o ovo da vespa. Os cientistas descobriram os genes dos draconídeos nas borboletas, mesmo que essas borboletas nunca tenham conhecido vespas. Acredita-se que eles tornam as borboletas mais resistentes às doenças.
Os eucariotos não roubam apenas genes individuais. Às vezes, os roubos são massivos.
Acredita-se que a vida marinha verde brilhante Elysia chlorotica tenha adquirido a capacidade de fotossintetizar ao comer algas. Esta lesma marinha ingere cloroplastos - organelas que realizam a fotossíntese - inteiros e os armazena nas glândulas digestivas. Quando pressionada e não há algas para comer, a lesma do mar pode sobreviver usando a energia da luz solar para converter dióxido de carbono e água em alimento.
Um estudo mostra que as lesmas do mar também retiram genes de algas. Os cientistas inserem marcadores fluorescentes de DNA no genoma das algas para ver exatamente onde os genes estão. Após se alimentar de algas, a lesma-do-mar adquiriu um gene para a regeneração do cloroplasto.
Ao mesmo tempo, as células em nosso corpo contêm minúsculas estruturas produtoras de energia, mitocôndrias, que são diferentes do resto de nossas estruturas celulares. As mitocôndrias têm até seu próprio DNA.
Existe uma teoria de que as mitocôndrias existiram como formas de vida independentes bilhões de anos atrás, mas então de alguma forma elas começaram a ser incorporadas às células dos primeiros eucariotos - talvez as mitocôndrias tenham sido engolidas, mas não digeridas. Acredita-se que este evento tenha ocorrido cerca de 1,5 bilhão de anos atrás e foi um marco importante na evolução de todas as formas de vida superiores, plantas e animais.
O roubo genético pode ser uma tática evolucionária comum. Afinal, ela permite que outros façam todo o trabalho árduo por você enquanto você colhe os benefícios. Alternativamente, a transferência horizontal de genes pode acelerar um processo evolutivo que já começou.
“É improvável que um organismo que não se adaptou ao calor ou ao ácido povoe piscinas vulcânicas repentinamente porque possui os genes de que precisa”, diz Scheunknecht. "Mas a evolução é quase sempre um processo passo a passo, e a transferência horizontal de genes permite grandes avanços."
ILYA KHEL
