A origem de novos vírus: A COVID-19 e outras histórias

Assim como muitos outros vírus, estudo recente aponta que o vírus causador da COVID-19 evoluiu a partir de um hospedeiro animal e não de manipulação humana intencional.

Escrevo esse post da minha casa, em São Francisco (Califórnia), onde desde o inicio da semana passada o governo decretou quarentena para todos os moradores. Sei que muitos de vocês, leitores, estão em uma situação parecida: em casa, sem poder ir ao trabalho, a bares e restaurantes ou ao cinema, e com filhas e filhos sem aulas presenciais, demandando nossa atenção e nosso cuidado a todo minuto. Apesar de tentar estabelecer uma nova rotina, é inegável que a situação atual gera apreensão e desconforto. Então, saiba que você não está sozinha ou sozinho nesse momento: o mundo todo está vivendo essa mesma angústia. Mas, nunca é demais reforçar que as medidas de isolamento social que tomamos hoje, por mais duras que possam parecer, salvarão a vida de muitos nos próximos meses. E que é extremamente necessário, talvez mais do que nunca, ouvirmos os cientistas e seguirmos suas recomendações. Voltarei a esse ponto ao final do texto.

Primeiro, vamos dar “nome aos bois”. Ao estudar em detalhe esse novo vírus e compará-lo a outros vírus já conhecidos, o Grupo de Estudos de Coronaviridae do Comitê Internacional de Taxonomia de Vírus, entidade mundial responsável pela classificação dos vírus, decidiu nomear essa nova espécie viral de SARS-CoV-2, devido à semelhança genética entre esse novo vírus e aquele causador da Síndrome Respiratória Aguda Grave (SARS). E se olharmos com um pouco mais de cuidado, o nome faz muito sentido:  SARS vem do nome da manifestação clínica causada pelo vírus, CoV indica que esse vírus é um coronavírus, e 2 pois já conhecemos um outro coronavírus, causador da pandemia de SARS em 2003, cujo quadro clínico é semelhante ao que observamos nos pacientes de COVID-19 de hoje. E de onde vem o nome COVID-19? Em Fevereiro desse ano, a Organização Mundial de Saúde (OMS) decidiu nomear a doença de COVID-19, seguindo os acordos internacionais estabelecidos entre a OMS e outros órgãos internacionais. E essa escolha também faz sentido: COVI de coronarus, D de doença (ou disease em inglês) e 19 do ano de 2019, ano em que o primeiro caso de COVID-19 foi identificado.

Mas antes de nos debruçarmos sobre a origem do SARS-CoV-2, como sugere o título desse post, vale lembrar que vírus são partículas compostas majoritariamente por dois tipos de moléculas: ácidos nucleicos (DNA ou RNA) e proteínas. Alguns vírus possuem também um envelope de lipídios, como no caso do coronavírus (Figura 1).

Figura_1
Figura 1 – Ultra-estrutura do SARS-CoV-2. Os coronavírus são vírus de RNA cujo envelope lipídico possui numerosos “espinhos” (do inglês spikes), dando a impressão de uma “coroa” quando vistos sob microscópio eletrônico (veja também a imagem de abertura desse post). Daí vem o nome desse grupo de vírus, os coronavírus. Fonte: Imagem modificada de Alissa Eckert, Dan Higgins; Jan 2020 (Center for Disease Control, CDC).

Vírus são agente infecciosos, causadores de milhares de doenças em animais, plantas, fungos e bactérias. Conhecemos hoje mais de 200 mil tipos diferentes de vírus, e o número de novas espécies virais continua a crescer significativamente todo ano. Os vírus são considerados parasitas intracelulares obrigatórios, pois apesar de inertes quando fora de células vivas, um único vírus é capaz de cooptar o metabolismo celular para a produção de milhares de novas partículas virais em poucas horas. Nos últimos meses, cientistas têm estudado intensamente o SARS-CoV-2, não apenas para entender sua origem como também em busca de um caminho para o desenvolvimento de uma vacina ou de um tratamento eficaz, e desde o início do ano centenas de artigos já foram publicados. Assim, já conhecemos o suficiente do SARS-CoV-2 para afirmar com convicção que, até o momento, não existe qualquer evidência sugerindo que o SARS-CoV-2 é fruto de manipulação humana intencional. Na realidade, os dados apontam para um processo evolutivo por seleção natural, resultando na transferência zoonótica do SARS-CoV-2 para humanos a partir de um hospedeiro animal. Assim, no restante desse post, buscarei apresentar as evidências que temos, até o momento, de que o SARS-CoV-2 surgiu por transferência zoonótica, assim como contextualizar a transferência zoonótica em relação ao surgimento de outros vírus capazes de infectar humanos.

Que evidências temos, até o momento, de que o SARS-CoV-2 surgiu por transferência zoonótica? O coronavírus causador da pandemia que atravessamos hoje, o SARS-CoV-2, é um entre pelos menos seis outros coronavírus que infectam humanos. Apesar de muitos coronavírus, como 229E, NL63, HKU1 e OC43, causarem apenas sintomas leves, dois outros coronavírus são responsáveis por doenças respiratórias graves em humanos, o SARS-CoV e o MERSCoV. O SARS-CoV foi o agente responsável pela pandemia da Síndrome Respiratória Aguda Grave (SARS) de 2003, que acometeu dezenas de países e resultou na morte de mais de 700 pessoas. Já o MERSCoV é o responsável pela Síndrome Respiratória do Oriente Médio (MERS), inicialmente identificada em 2012. Segundo a Organização Mundial de Saúde, até Novembro de 2019 foram diagnosticados mais de 2.400 casos de MERS, resultando em mais de 800 mortes.

Nessa última semana, um artigo publicado na revista Nature comparou uma parte importante do genoma do SARS-Cov-2 ao de outros coronavírus de humanos e de outros hospedeiros animais, com ênfase na sequência de aminoácidos da proteína do espinho proteico (Figura 1). O espinho proteico do coronavírus está intimamente relacionado à capacidade do vírus de penetrar células humanas, e tem sido alvo importante no desenvolvimento de vacinas contra o SARS-CoV-2.  A sequência de aminoácidos do espinho proteico de SARS-CoV-2 de humanos é semelhante às sequências encontradas em coronavírus de morcegos e pangolins (Figura 2), sugerindo fortemente a transmissão zoonótica do vírus. Visto que a sequência em humanos difere, mesmo que minimamente, da sequência dos vírus nessas outras linhagens, ainda não sabemos ao certo a partir de qual hospedeiro animal o SARS-CoV-2 se originou.

Figura_2
Figura 2 – Estrutura do genoma viral com foco especial no gene relacionado ao espinho proteico. Duas regiões do espinho proteico do SARS-CoV-2, destacadas na figura acima, ressaltam a semelhança entre a sequência de aminoácidos da proteína do vírus em humanos (seta vermelha) e em morcegos e pangolins (setas azuis). Ainda, a região chamada de “domínio de ligação ao receptor” (do inglês receptor-binding domain), parte da estrutura proteica do espinho, liga-se ao receptor ACE2 na superfície de células humanas e facilita a infecção das células pelo vírus [Fonte: Modificado de Andersen et al. 2020. Nature].
Além disso, a região do espinho chamada de “domínio de ligação ao receptor” (Figura 2, “Receptor-binding domain”) é a parte do espinho responsável pela ligação do vírus ao receptor ACE2 presente na superfície de células humanas. É a ligação da proteína viral ao receptor ACE2 que permite que ele invada células humanas. Curiosamente, a sequência de aminoácidos do SARS-CoV-2 humano, quando comparado àquela de morcegos e pangolins, apresenta modificações que aumentam a afinidade dessa proteína ao receptor ACE2, sugerindo claramente que essa região é o resultado da seleção natural dessa proteína, tornando-a bastante eficaz na infecção de humanos.  Apesar de termos técnicas capazes de produzir em laboratório agentes infecciosos, tais como um novo vírus, não há qualquer evidência, na região analisada na Figura 2, ou no restante do genoma do vírus, que sugira manipulação genética intencional, visto que os produtos dessas técnicas laboratoriais podem ser facilmente identificados. Além disso, seria esperado que, se um novo vírus fosse criado intencionalmente, este seria criado a partir de sequências de outros vírus já sabidamente patogênicos, como o SARS-CoV e o MERSCoV, e não a partir de genes de pangolins ou morcegos, parcamente conhecidos em relação ao seu potencial patogênico em humanos. Assim, o conjunto de evidências que temos hoje aponta para a transferência zoonótica do SARS-CoV-2 para humanos a partir de um hospedeiro animal.

Não há nada de novo nessa ideia: vários outros vírus já largamente conhecidos, tais como o SARS-CoV e o MERSCoV, o HIV, o Ebola e o H1N1, são exemplos de vírus que tiveram origem em outros grupos animais e, como resultado de processos evolutivos, passaram a infectar o homem. E não pára por ai: a transferência zoonótica está também na origem do sarampo, da varíola, da dengue, da zika, da raiva, e de muitas outras doenças virais. Apesar de uma parte significativa das infecções zoonóticas estarem concentradas nos trópicos, a pandemia atual é um exemplo de como transferências zoonóticas, principalmente em um mundo tão interconectado, podem afetar o globo, com grande impacto na saúde pública, na economia, e na vida de todos nós. Vale ressaltar também que a emergência de novas doenças por transferência zoonótica está associada a intensificação da agricultura e a mudanças ambientais, ou seja, a intensificação da agricultura em várias partes do globo e o impacto ambiental gerado pela pressão de urbanização e pelas mudanças climáticas aumenta o risco de emergência de novas doenças por transferência zoonótica.

Certamente, esse não será o ultimo episódio em que teremos que enfrentar um novo vírus que, anteriormente infectando outros organismos, adquire a capacidade de infectar humanos. E volto, assim, à ideia importante que discuti no final do primeiro parágrafo: apenas com investimento sério em ciência poderemos compreender em detalhes a evolução viral tanto em humanos como em hospedeiros não-humanos. Estudando como os diferentes vírus evoluem em seus hospedeiros não-humanos poderemos, quem sabe um dia, antecipar os eventos de transmissão zoonótica, evitando, ou ao menos nos preparando melhor para pandemias como as que vivemos hoje. Investimento em ciência permite, também, entendermos os mecanismos de infecção viral, guiando o desenvolvimento de novas vacinas e novos tratamentos. Investimento em ciência nos ajuda também a entender como as modificações ambientais que impomos ao planeta interferem nos processos evolutivos, porventura facilitando o surgimento de novas doenças, ou reavivando doenças já erradicadas em determinadas regiões do globo. E, em um momento tão difícil quanto o que estamos vivendo, precisamos, cada um de nós, fazer a nossa parte e levar a sério o isolamento social. Estamos todos juntos no combate a COVID-19 e, quanto mais cedo seguirmos as recomendações dos cientistas, mais vidas serão salvas.

 

Ana Almeida

(Cal State University East Bay, CSUEB)

 

Para saber mais:

Ellwagner, J.E. & Chies, J.A.B. 2018. Zoonotic spillover and emerging viral diseases –time to intensify zoonoses surveillance in Brazil. The Brazillian Journal of Infeccious Disease, 22(1): 76-78.

Holmes, E.C. 2011. What does virus evolution tell us about virus origins? Journal of Virology, 85(11): 5247-5251.

Stated Clearly. 2020. Coronavirus disease (COVID-19). Youtube.

Tesini, B.L. 2020. Coronavírus e síndromes respiratórias agudas (COVID-19, MERS, e SARS). Ministério da Saúde.

World Health Organization. 2020. Coronavirus disease (COVID-19) pandemic. Último acesso em 22/03/2020.

 

Imagem de abertura: Micrografia eletrônica de partículas virais do SARS-CoV-2, causador da pandemia COVID-19 que vivemos hoje, emergindo de células cultivadas em laboratório, coletadas de um paciente nos EUA. Fonte: NIAID-RML, Wikipedia.

O menor dinossauro do mundo (ou não)

A capa da revista Nature desta semana traz a foto da cabeça de dinossauro de apenas catorze milímetros, preservada em âmbar. Os autores estimam que o comprimento total do animal, do focinho ao rabo, era de nove centímetros. É a menor espécie fóssil de dinossauro já encontrada, do tamanho de um colibri-abelha, a menor espécie de ave existente. Os cientistas a batizaram de Oculudentavis khaungraae.

O pequeno dinossauro mumificado dentro da resina vegetal fossilizada foi encontrado em Myanmar, no sudeste asiático, e cedido aos cientistas por um colecionador. Mais de mil espécies de animais preservadas em âmbar provenientes desta mesma localidade foram descritas nas últimas décadas, incluindo aves, lagartos, sapos, aranhas e insetos. Estes fósseis são uma janela única para a vida no planeta há 100 milhões de anos, mas as minas de âmbar, onde eles são encontrados, são exploradas em péssimas condições de trabalho, em uma região de conflito armado, gerando dilemas éticos quanto à sua utilização na ciência.

Para poder aceder aos detalhes morfológicos da cabeça de Oculudentavis, os cientistas usaram um tomógrafo computadorizado alimentado por um acelerador de partículas para produzir imagens de alta resolução (Figura 1). Os olhos eram relativamente enormes, como nas aves, mas os pequenos ossos que cobriam a globo ocular, chamados de ossos escleróticos, tinham forma de colher, mais similar aos dos lagartos. O cérebro também era grande, dominado pelo telencéfalo, muito parecido ao das aves modernas. O focinho era alongado e fino, com muitos dentes. O nome Oculudentavis se refere à presença de dentes na parte posterior da boca, já debaixo dos olhos, uma característica ausente em outros dinossauros.

chico2.png
Figura 1: Tomografia computadorizada da cabeça de Oculudentavis.

Outras características chamaram a atenção dos especialistas. Os dentes não tinham raízes inseridas em alvéolos, mas estavam grudados à superfície do osso, uma condição chamada de acrodontia, comum em outros répteis, mas não em dinossauros e aves. O número de dentes supera o de qualquer outra espécie de dinossauro. E não havia uma abertura na frente da órbita, chamada de fenestra anterorbital, presente em todos os dinossauros, incluindo as aves.

A análise das relações de parentesco apresentada pelos autores sugere que o fóssil é uma espécie basal de ave, um pouco mais derivada que Archaeopteryx. Não foram encontradas penas.

Ou não?

O sociólogo da ciência Robert Merton, há muitos anos, propôs que a atividade científica é guiada por alguns princípios éticos comuns. Um deles é o ceticismo organizado, definido como a análise crítica e sem preconcepções do próprio trabalho.

Assim que o artigo foi publicado, outros especialistas levantaram dúvidas se Oculudentavis seria de fato um dinossauro. Uma das críticas aponta que os autores assumiram previamente que era um dinossauro, e não analisaram outras possibilidades. Várias características de Oculudentavis não estão presentes em dinossauros, mas são comuns em outros répteis. Por exemplo, lagartos não têm fenestra anterorbital, têm ossos escleróticos em forma de colher e acrodontia. Não seria então Oculudentavis um lagarto, com algumas características de aves? Neste caso, olhos e cérebros grandes, focinho alongado e região pós-orbital curta seriam convergências evolutivas, relacionadas a um modo de vida especializado, altamente visual.

Oculudentavis é talvez o menor dinossauro já encontrado e suas características incomuns seriam consequências da sua miniaturização, como sugerem os autores. Ou talvez estamos naquele momento em que chapeuzinho-vermelho percebe que olhos, nariz e boca são grandes demais para ser a vovó. O ceticismo organizado da comunidade científica vai nos trazer uma resposta em breve.

 

João F. Botelho (PUC de Chile)

 

PARA SABER MAIS: 

Xing, L., O’Connor, J.K., Schmitz, L. et al. Hummingbird-sized dinosaur from the Cretaceous period of Myanmar. Nature 579, 245–249 (2020). https://doi.org/10.1038/s41586-020-2068-4

Nossa história a galope

Aproximadamente metade da população mundial comunica-se através de línguas derivadas do tronco protoindo- europeu. Alemão, português, búlgaro, hindi, grego, persa e outras línguas eram há 4.500 uma língua única, falada pelos habitantes das estepes asiáticas, situadas ao norte dos mares Negro e Cáspio. Nesta mesma região, há cerca de 5.000 anos, esse mesmo povo, ou povos, passou a domesticar uma espécie de cavalo, e partir de então a história da humanidade foi transformada, a galope.

Embora vários animais tenham sido domesticados pela nossa espécie, e tenham se tornado nossos aliados importantes para sobrevivência, é difícil pensar em outro animal que tenha tido tanto impacto na história evolutiva humana como o cavalo. A domesticação desses animais permitiu que as pessoas, seus idiomas e suas ideias se movessem mais rápido do que antes, levando à expansão da agricultura e à formação de impérios.

O cavalo influenciou inclusive nossa maneira de vestir. A cultura ocidental é fortemente influenciada pela cultura grega e romana. Tradicionalmente, os romanos usavam túnicas. Essa vestimenta cai em desuso quando os romanos tentam conquistar os povos do norte da Europa e percebem que estes usavam calças, um traje muito mais confortável para longas cavalgadas.

O cavalo é um animal que combina características importantes, tais como força, tamanho, velocidade (seis vezes mais rápido que os humanos) e facilidade de manutenção (são herbívoros), que impulsionaram o seu processo de domesticação. Era o animal ideal para atravessar grandes distâncias, era apropriado para trabalhos pesados e poderia ser usado como fonte de alimento se necessário.

Além da diversidade linguística que temos hoje ter sido moldada pelo manejo dos cavalos, os grandes impérios da antiguidade foram conquistados no lombo desse animal. Alexandre III da Macedônia, Gengis Khan e seus descendentes, Kublai e Böke, imperadores romanos, dentre outros, estenderam seus territórios até um limite de terras que equivale à catorze dias de distância do centro imperial, para qualquer direção. Nenhum grande império antigo passou dessa extensão. O império Mongol, embora fosse 4 vezes maior que o império romano, era por sua vez dividido em quatro zonas interdependentes, cada uma dela equivalente ao tamanho do império romano. Pode-se dizer que por 4 mil anos esses animais tornaram essas civilizações possíveis.

Na América, impérios sofisticados com agricultura e saneamento bem estabelecidos, não passaram de apenas uma fração territorial dos impérios asiáticos e europeus. Os grandes impérios americanos (Inca, Maya e Asteca) se caracterizaram pela não domesticação de grandes mamíferos, apesar do grande desenvolvimento da agricultura. No império Inca, por exemplo, as comunicações entre as cidades eram realizadas pelos Chasquis, exímios corredores que eram a fonte do intercambio dentro dos limites imperiais.

Os cavalos, no entanto, são originalmente americanos, oriundos das pradarias norte-americanas. Essa espécie ainda selvagem, atravessa a ponte de terra da Beríngia durante a última glaciação, e passa a habitar a Sibéria e regiões adjacentes. Os animais que aqui ficaram foram extintos pelos primeiros nativos que chegaram à América, sendo usados como alimento. Milênios depois, a conquista da América pelos europeus deve-se ao uso do cavalo e armas durante os séculos XV e XVI. Alguns nativos posteriormente apoderaram-se desses animais, e os integraram à sua cultura, como os Charruas e Minuanos da pampa gaúcho, e os Comanches do sul dos Estados Unidos.

A história da domesticação dos cavalos se confunde com a própria histórica da nossa civilização, sendo responsável pela ascensão de grandes impérios, bem como pelo declínio de outros tão importantes quanto. Além disso, foi a peça fundamental para a diversificação linguística euroasiática, e assim consequentemente pela diversificação biológica, ou genética, desses povos.

Tábita Hünemeier (USP)

PARA SABER MAIS:

Anthony, D. (2010) The Horse, the Wheel, and Language: How Bronze-Age Riders from the Eurasian Steppes Shaped the Modern World. Princeton University Press, 576pp.

Damgaard et al. (2018) The first horse herders and the impact of early Bronze Age steppe expansions into Asia. Science, 2018; doi: 10.1126/science.aar7711

Orlando, L (2020) Ancient Genomes Reveal Unexpected Horse Domestication and Management Dynamics. Bioessays. doi: 10.1002/bies.201900164:

Pruvost et al. (2011) Genotypes of predomestic horses match phenotypes painted in Paleolithic works of cave art. PNAS November 15, 2011 108 (46) 18626-18630; doi: https://doi.org/10.1073/pnas.1108982108.

Os microorganismos que nos habitam e seu impacto sobre a evolução da socialidade humana

Qual o papel dos microorganismos na evolução do comportamento social humano? A estrutura social dos primatas influencia os microorganismos presentes em seus corpos e os microorganismos também podem influenciar a evolução das sociedades primatas, incluindo as sociedades humanas.

Há pouco mais de uma semana, Frontiers in Ecology and Evolution publicou um artigo de Robert R. Dunn e colegas que trata de um tema que já foi discutido em vários textos de Darwinianas: os microorganismos que nos habitam (aqui está um exemplo), que literalmente vivem conosco em nossas casas, como Darwinianas também discutiu. Eles usam um dos métodos mais característicos da biologia, o método comparativo, para investigar as mudanças sofridas pelos microbiomas de hominíneos desde a separação de nossa linhagem e da linhagem de chimpanzés (Pan troglodytes) e bonobos (Pan paniscus) a partir de seu ancestral comum, que ocorreu há cerca de 6 milhões de anos. O microbioma ou microbiota corresponde à comunidade de microorganismos que residem num determinado organismo. Os hominíneos incluem todas as espécies que surgiram na linhagem que nos originou, desde este nosso ancestral comum. Hominídeos, por sua vez, incluem todos os grandes primatas, incluindo humanos, chimpanzés, bonobos, gorilas e orangotangos.

O foco do artigo recai sobre os microbiomas associados à evolução da socialidade de primatas, em especial aqueles localizados no estômago, nos intestinos, na pele e envolvidos na fermentação de alimentos. Os autores estão especialmente interessados na influência dos microbiomas sobre a evolução de hominíneos. Como as mudanças físicas, sociais e comportamentais que ocorreram na evolução humana afetaram e foram afetadas por nossas interações com microorganismos?

Para responder essa pergunta, é preciso considerar as interações complexas entre sociedades e comportamentos humanos, microbiomas e evolução. Ao fazê-lo, o artigo de Dunn e colegas suscita alguns insights relevantes para pensar a coevolução microbioma-cultura-gene, indo além da coevolução gene-cultura há muito reconhecida.

Estes nossos estômagos tão ácidos

Todos nós sabemos desde tenra idade escolar sobre o papel do estômago na digestão de proteínas. O estômago tem, contudo, outro importante papel nos mamíferos: ele funciona como uma espécie de filtro ecológico, permitindo que algumas espécies de microorganismos ingeridos com o alimento cheguem aos intestinos, mas não outras. Esse filtro pode ser mais ou menos restritivo: se muito ácido, o estômago impede a chegada da maioria desses microorganismos aos intestinos. Mas quando é mais neutro, permite que a maioria deles chegue vivos a estes órgãos, o que acontece, por exemplo, com primatas que se alimentam somente de frutos (frugívoros) e folhas (folívoros). Para esses primatas, o custo é pequeno se esses microorganismos alcançarem os intestinos. É até mesmo possível que nesse caso os microorganismos auxiliem na quebra dos alimentos, uma vez que já iniciaram sua degradação. Estas são razões subjacentes à evolução de estômagos mais neutros em primatas frugívoros e folívoros. Contudo, primatas onívoros, que também se alimentam de carne, têm risco relativamente grande de ingerir patógenos junto com os alimentos, o que favoreceu a evolução de estômagos mais ácidos.

Em aves e mamíferos esses padrões são observados: quanto mais carnívoro um animal é, mais provável que seu estômago seja ácido. Estômagos humanos fogem, contudo, estômagos, a esses padrões mais típicos: eles exibem pH médio de 1,5, ou seja, são extremamente ácidos. Nenhum primata até hoje estudado possui estômagos tão ácidos. Encontramos estômagos com acidez similar entre abutres (abutres-africanos-de costas-brancas, Gyps africanus, têm pH estomacal de 1,2), nos quais os estômagos muito ácidos evoluíram em resposta aos muitos patógenos que ingerem diariamente, ao se alimentarem de carniça.

Em que momento na história de nossa linhagem, estômagos tão ácidos evoluíram? Há algumas dificuldades a ser enfrentadas para responder a essa pergunta. O método comparativo indica que olhemos para chimpanzés e bonobos, para entender se esse momento teria sido anterior ou posterior à separação das duas linhagens. Contudo, os estômagos desses animais foram pouco estudados. Dunn e seus colegas fazem o possível com os poucos dados disponíveis, levantando diferentes hipóteses. De um lado, é possível que chimpanzés e bonobos tenham estômagos tão ácidos quanto os nossos. Isso é sugerido pela observação de que Helicobacter pylori coloniza com maior sucesso estômagos de chimpanzés em laboratório caso tomem anti-ácidos, assim como ocorre com humanos. Claro, esta observação apenas não é suficiente para a aceitação da hipótese de que a acidez encontrada em estômagos humanos tenha evoluído no ancestral comum de nossa linhagem e da linhagem de chimpanzés e bonobos. Mas tampouco é possível descartá-la. Caso essa hipótese fosse eventualmente aceita, novas questões se colocariam (aliás, como sempre ocorre em ciência: responder uma pergunta leva a mais perguntas, de modo que a pesquisa nunca cessa): por que estômagos tão ácidos teriam evoluído em nosso ancestral comum, há mais de seis milhões de anos?

Contudo, a hipótese de que chimpanzés e bonobos possuem estômagos mais neutros tampouco pode ser posta de lado. A grande maioria da alimentação desses animais é constituída por frutos, sementes, folhas, flores, sendo plausível, portanto, que tenham estômagos com pH próximo da neutralidade, como observado em outros primatas frugívoros. Além disso, um estudo do estômago de um único chimpanzé em cativeiro mostrou que ele possuía pH neutro, e dissecções de chimpanzés mortos em cativeiro mostraram em seus estômagos crescimento de leveduras, que raramente crescem em ambientes muito ácidos. Evidentemente, estas não são evidências decisivas, não sendo possível, pois, decidir de modo convincente entre as duas hipóteses.

Mas é possível construir uma hipótese bem informada (educated guess) a respeito do pH dos estômagos de chimpanzés e bonobos. Podemos conjecturar que eles são relativamente ácidos, mas menos do que os estômagos humanos. A extrema acidez de nossos estômagos teria – se essa hipótese for correta – evoluído após a separação do ancestral que compartilhamos com aqueles animais. Mas quais fatores teriam favorecido estômagos com pH mais ácido em nosso ramo da árvore da vida? Podemos seguir fazendo conjecturas bem informadas: um possível fator seria o consumo de carcaças abandonadas por carnívoros e/ou de presas muito grandes para serem consumidas de uma só vez. Assim como em abutres, os riscos de consumir patógenos abundantes nesses alimentos teriam favorecido estômagos com maior acidez. Embora seja muito provável que espécies de Australopithecus e de Homo (como Homo habilis e H. erectus) consumissem carne, seria de se esperar que houvesse variação em quanta carne consumiam, quão fresca ela era e quanto sobrava de uma presa capturada. Paleoantropólogos e antropólogos evolutivos concordam quanto ao papel da carne na evolução de nosso gênero, Homo, mas a importância relativa da caça e do consumo de carcaças e seu papel na evolução da socialidade humana são objeto de debate. Está bem estabelecido, contudo, que ao menos parte da carne consumida pelos primeiros hominíneos era oriunda de carcaças, possivelmente obtida por nossos ancestrais de presas de outros animais. A acidez do estômago dos hominíneos teria sido selecionada em resposta aos patógenos trazidos pelos alimentos, desempenhando um papel na evolução do comportamento de forrageio e da dieta humana. Por fim, não podemos descartar a hipótese alternativa de que a acidez extrema de nossos estômagos evoluiu em ancestrais que tiveram sucesso em caçar presas grandes, que não podiam consumir de uma vez e, assim, também seriam ingeridas com diferentes graus de decomposição.

Estes nossos pequenos intestinos

Em algum ponto nos últimos seis milhões de anos, nossos intestinos também sofreram mudanças importantes: o comprimento total do intestino diminuiu em relação ao tamanho do corpo e o intestino grosso ficou menor em relação ao intestino delgado. As evidências que apoiam esse padrão resultam de estudos comparativos dos intestinos de chimpanzés, bonobos e humanos, e do menor tamanho da caixa torácica do gênero Homo em relação a espécies anteriores de hominíneos. Há variação do comprimento do intestino grosso em humanos, mesmo entre indivíduos geneticamente semelhantes, com proporções entre intestinos delgado e grosso variando de 2,6 a 4,5. Este é um padrão muito distinto daquele observado em chimpanzés, nos quais esta proporção é em média 1,0 (ou seja, na média intestinos delgado e grosso têm o mesmo comprimento).

Esses achados suscitam duas questões colocadas por Dunn e colegas: Por que esse encurtamento dos intestinos ocorreu? Quais suas consequências para a fisiologia digestiva e o microbioma dos intestinos?

O uso de ferramentas para obter e processar alimentos parece ter diminuído a dependência de nossos ancestrais em relação à fermentação que ocorre no intestino grosso. Quando algum de nossos ancestrais dominou o fogo, por exemplo, os nutrientes de alguns tipos de alimento se tornaram mais disponíveis e a mastigação necessária para quebrar o alimento em tamanhos menores e mais digeríveis foi facilitada. Técnicas e artefatos de pesca, por sua vez, deram acesso a pescados e mariscos, de mais fácil digestão, e assim por diante. Com seu repertório crescente de ferramentas, nossos ancestrais poderiam pré-digerir e pré-processar parte de seus alimentos, tornando-se menos dependentes dos microorganismos intestinais para quebrar componentes resistentes de sua dieta, como a celulose. Esta é uma das bases de uma fascinante hipótese, a chamada hipótese do tecido custoso (expensive tissue hypothesis), que propõe que a menor necessidade de tecido intestinal tornou possível a seleção de cérebros maiores, na medida em que tornou disponível energia para investir em outros tecidos custosos sem desvantagem seletiva.

Intestinos menores tiveram implicações para o microbioma do gênero Homo: a manutenção de uma menor biomassa de microorganismos e uma diminuição do tempo de retenção do alimento nos intestinos. Ao mesmo tempo, outras características do microbioma se mantiveram inalteradas, como mostram, por exemplo, dados indicando que chimpanzés e humanos possuem as mesmas classes taxonômicas de bactérias em seus intestinos (o que permite conjecturar que o ancestral mais recente compartilhado por essas espécies também exibiria tais classes de bactérias). Apesar da redução no comprimento dos intestinos humanos, similaridades fisiológicas parecem ter permitido a manutenção da composição e função do microbioma.

Coevolução microbioma-gene-cultura

Curiosamente, também há diferenças importantes entre os microbiomas de intestinos humanos e de grandes primatas. Os microbiomas intestinais humanos são mais semelhantes aos de babuínos do que aos de chimpanzés. Esse padrão pode ser atribuído à dieta: humanos são geneticamente mais semelhantes a chimpanzés, mas exibem mais semelhança a cercopitecídeos, como os babuínos, na dieta e uso de habitat. Tanto babuínos quanto humanos têm uma dieta altamente onívora e rica em amido. Como o microbioma intestinal tem papel importante no processamento de componentes da dieta de seus hospedeiros, particularmente de carboidratos resistentes, é provável que as mesmas linhagens microbianas e vias metabólicas beneficiaram nossos ancestrais humanos e babuínos atuais. Essa similaridade está associada ao uso de ferramentas por humanos, que levou, como vimos, à diminuição do intestino, ao facilitar a digestão. O resultado foi – como discutem Dunn e colegas – um microbioma caracteristicamente humano que exibe aspectos tanto de grandes macacos quanto de cercopitecídeos.

Dunn e colegas discutem outro aspecto interessante dos microbiomas humanos: a grande variação em sua composição e função, fortemente correlacionada à geografia e ao estilo de vida. O microbioma parece ter, assim, um papel na adaptação local de grupos humanos, o que tem implicações para a evolução dos hominíneos. Suponha que populações locais de H. erectus tivessem, como chimpanzés e babuínos atuais, maior probabilidade de compartilhar microorganismos quanto mais próximas geograficamente. Então, elas poderiam também apresentar maior probabilidade de compartilhar microorganismos capazes de digerir ou detoxificar alimentos consumidos nos seus locais de vida, ou que aumentassem a resistência a doenças infecciosas endêmicas. Esse atributo levaria a uma plasticidade do microbioma associado aos primatas hospedeiros, graças ao compartilhamento social de microorganismos, mesmo na ausência de mudanças nos genomas dos hospedeiros.

Esta é uma possibilidade muito instigante, que me leva a algumas hipóteses. Essa plasticidade poderia contribuir, por sua vez, para a adaptação de grupos de hominíneos ao ambiente local, mediada por adaptações de seu microbioma compartilhado. Podemos ter, assim, uma coevolução microbioma-genoma, caso essas adaptações locais baseadas no compartilhamento de um microbioma plástico levem a novos regimes seletivos, que alterem a distribuição de frequências alélicas de genes sob pressão seletiva em gerações futuras dos hominíneos. Chegamos, assim, a um fenômeno de impulso fenotípico (phenotypic drive), no qual plasticidade do microbioma, associada à vida social, conduziria a novos padrões de seleção e a mudanças genéticas nas populações. Se o compartilhamento dos microorganismos estiver de um modo ou de outro associado a práticas culturais dos hominíneos, podemos ter então um fenômeno evolutivo muito interessante: uma coevolução microbioma-gene-cultura!

A plausibilidade dessa hipótese é sugerida por sua consistência com o fato de que microorganismos contribuem para a diferenciação e expansão do nicho ecológico de populações humanas atuais, assim como de outros mamíferos, como também discutem Dunn e colegas. Por exemplo, em ratos-do-deserto (Neotoma lepida), microorganismos intestinais permitem o consumo de uma dieta rica em taninos, dando-lhes acesso a recursos alimentares inacessíveis a mamíferos sem tal adaptação microbiana. Populações humanas que têm uma dieta rica em algas marinhas possuem adaptações microbianas locais que tornam possível extrair desses alimentos carboidratos complexos normalmente inacessíveis. Uma dinâmica similar pode ser conjecturada no caso de adaptações do microbioma humano a doenças infecciosas locais, embora isso tenha sido pouco estudado. Podemos, desse modo, ter uma influência importante do comportamento social de hominíneos sobre seus microbiomas plásticos, com uma retroalimentação desses microbiomas sobre a evolução dos hominíneos.

Dunn e colegas de fato levantam a hipótese de que adaptações microbianas locais tiveram papel crítico na evolução humana. Os humanos fizeram grandes migrações, que os expuseram a uma diversidade de novos ambientes: os primeiros membros do gênero Homo, como H. habilis, cruzaram as paisagens africanas e ampliaram suas opções alimentares dessa maneira. H. erectus, a espécie mais bem sucedida de nosso gênero (malgrado nossa mal-direcionada vaidade), ocupou o planeta de 2 milhões de anos a 500 mil anos atrás e se distribuiu por boa parte do planeta, indo tão ao norte quanto a atual Espanha e tão a leste quanto a China de hoje em dia. Nesses diferentes locais, eles comeram uma diversidade de alimentos, utilizaram uma variedade de ferramentas e provavelmente exibiram diferentes culturas culinárias, como observamos nos chimpanzés modernos. Eles também devem ter sido expostos a novas doenças à medida que se moviam pelo planeta. A plasticidade de seu microbioma poderia ter sido, assim, um fator adaptativo importante, na medida em que facilitaria a diversidade da dieta, contribuindo com vias metabólicas chave, que poderiam aumentar o poder nutricional de uma série de alimentos, bem como a resistência a novas doenças. Por sua vez, as estruturas e práticas sociais dos hominíneos provavelmente desempenharam papel importante no estabelecimento e na manutenção de microbiomas especializados em cada local. A coevolução microbioma-gene-cultura pode ter sido, assim, muito importante para a diversificação dos hominíneos e a eventual origem de nossa espécie.

O processamento dos alimentos e o microbioma estendido

Por fim, vale examinar o que nos contam Dunn e colegas sobre o papel do processamento dos alimentos na evolução humana e na evolução da socialidade humana. Esse papel decorre do impacto sobre a digestão, que passa a requerer menos calorias, e a mastigação. Chimpanzés realizam diferentes tipos de processamento dos alimentos que consomem, por exemplo, batendo nozes e sementes para abri-las, usando gravetos para acessar tubérculos, insetos, raízes e outros animais. Nossos ancestrais poderiam exibir estes e outros tipos de processamento, a exemplo do uso do fogo para cozinhar alimentos e de fogo e fumaça para acalmar abelhas e extrair mel. Eles também faziam uso de ferramentas para cortar, desmembrar e dividir carne. Embora algumas dessas formas de processamento de alimentos envolvem microorganismos, estes têm papel secundário. No que diz respeito ao microbioma, o grande salto veio com o controle da fermentação pelos hominíneos, que deu aos microorganismos um papel mais central em nossa nutrição.

Não se sabe quando a fermentação foi controlada pela primeira vez em nossa linhagem. Embora se possa pensar que a fermentação envolveria técnicas que hominíneos anteriores à nossa espécie não teriam dominado, essa percepção não é correta. No ártico, por exemplo, são largamente utilizadas técnicas de fermentação em estômagos de focas. Também é possível fermentar alimentos submergindo-os em riachos com fluxo lento de água ou enterrando-os. Essas técnicas são encontradas inclusive em outros animais, como hienas, assim como raposas e outros carnívoros de regiões frias, que armazenam e em alguma medida fermentam alimentos enterrando-os. Não parece haver, assim, quaisquer obstáculos técnicos ou intelectuais que pudessem impedir que H. erectus ou alguma outra espécie de Homo dominasse a fermentação de ao menos alguns tipos de alimento.

Quando a fermentação foi dominada em nossa linhagem, isso permitiu que nossos ancestrais começassem a armazenar alimentos, devido aos efeitos da própria fermentação, e, assim, ficassem por mais tempo em um único local. Assim, a persistência de grupos maiores de indivíduos na mesma região seria favorecida pela fermentação, levando a mudanças fundamentais na evolução de nossa socialidade. Os microorganismos usados na fermentação poderiam ser obtidos de corpos de insetos, como a levedura de cerveja, ou de corpos dos próprios humanos ou de outros mamíferos, como no uso de microorganismos da saliva na produção de outras bebidas fermentadas (por exemplo, a chicha na America Latina), ou da pele na produção de alguns queijos, ou de bactérias associados ancestralmente à boca na produção de iogurtes.

Dunn e colegas argumentam que, ao utilizar microorganismos do corpo para fermentar alimentos, nossos ancestrais estenderam seus genomas e fenótipos, assim como fazem castores ao construir suas represas. Eles teriam dessa maneira estendido seus intestinos, externalizando parte da digestão no processo de fermentação dos alimentos. Esta é uma ideia muito interessante, que pode ser expandida para o argumento de que a fermentação teve um papel importante na construção de nicho por sociedades humanas.

Muitos de nós possivelmente nunca imaginamos que a fermentação tivesse papel tão importante na evolução humana. Muito bem! Então, brindemos a isso com uma boa cerveja artesanal, pensando em como os microorganismos podem ter contribuído para duas das maiores transições sociais na história dos hominíneos: a transição para grandes populações mais sedentárias e a transição para a vida urbana!

 

Charbel N. El-Hani

Instituto de Biologia/UFBA

 

PARA SABER MAIS:

Aiello, L. C. & Wheeler, P. (1995). The Expensive-Tissue Hypothesis: The Brain and the Digestive System in Human and Primate Evolution. Current Anthropology 36: 199-221.

Amato, K. R., Jeyakumar, T., Poinar, H. & Gros, P. (2019). Shifting Climates, Foods, and Diseases: The Human Microbiome through Evolution. BioEssays 41: 1900034.

Dunn, R. R., Amato, K. R., Archie, E. A., Arandjelovic, M., Crittenden, A. N. & Nichols, L. M. (2020). The Internal, External and Extended Microbiomes of Hominins. Frontiers in Ecology and Evolution 8: 25.

Gomez, A. et al. (2019). Plasticity in the Human Gut Microbiome Defies Evolutionary Constraints. mSphere 4:e00271-19.

Price, T. D., Qvarnström, A. & Irwin, D. E. (2003). The role of phenotypic plasticity in driving genetic evolution. Proceedings of the Royal Society of London B 270: 1433-1440.

Whitehead, H., Laland, K. N., Rendell, L., Thorogood, R. & Whiten, A. (2019). The reach of gene–culture coevolution in animals. Nature Communications 10: 2405.

Imagem: Homo erectus, a espécie mais bem sucedida de nossa linhagem, migrou para várias regiões do planeta, adaptando-se localmente com a ajuda dos microorganismos que viviam em seu corpo (seu microbioma). Reconstrução feita por W. Schnaubelt & N. Kieser (Atelier WILD LIFE ART), exibida no Westfälisches Landesmuseum, Herne, Alemanha (lwl-landesmuseum-herne.de), fotografada por Lillyundfreya, 2007.