A seleção molda a diversidade genética

Algumas espécies tem tamanhos populacionais imensos, mas possuem diversidade genética semelhantes à de espécies com tamanhos populacionais muito menores. Por quê? O estudo da seleção natural pode ser a chave para a resposta.

O cabo de guerra: mutação versus deriva

A teoria evolutiva é capaz de fazer previsões sobre o que esperamos encontrar na natureza. Uma das mais importantes diz respeito à variabilidade genética. Para evolucionistas, a diversidade genética de uma espécie deve ser proporcional ao tamanho populacional. Esperamos que espécies com muitos indivíduos tenham mais diversidade genética do que espécies com poucos indivíduos.

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O que a biologia deste século pode nos trazer

O que o estudo da genética e da evolução nos reserva para o próximo século? De acordo com Linnea Sandell and Sarah P. Otto, duas biólogas evolutivas, a exploração da diversidade da vida será nosso tema central.

O sucesso da genética em explicar aspectos do mundo que nos cerca é notável. Apesar de ser uma ciência jovem (afinal, como programa de pesquisa científico baseado na base material e nas leis da hereditariedade podemos dizer que a genética tem pouco mais de 100 anos), ela desvendou importantes padrões sobre o funcionamento dos seres vivos.

Hoje sabemos muito sobre o processo de herança e do funcionamento molecular dos seres vivos. Progredimos na compreensão sobre como a evolução altera a composição genética de populações. Entendemos como sequências de DNA contribuem para originar proteínas que, por sua vez, têm papéis no desenvolvimento e funcionamento de organismos.  O conceito do gene tornou-se um elemento central de nossa cultura, indo além do universo da ciência. Não à toa, Evelyn Fox Keller batizou o século passado como sendo “O século do gene”.

Na postagem de hoje, discuto que, apesar desse longo caminho trilhado, há vastos horizontes a serem desvendados. Os padrões gerais que tanto nos ensinam sobre mecanismos genéticos e evolutivos têm importantes exceções. Essas exceções ilustram a importância de estudar a diversidade de sistemas biológicos.

A diversidade de processos evolutivos

As regras gerais a respeito da genética e da evolução são valiosas, e nos dizem muito sobre a biologia. Mas, conforme apontado por Sandell e Otto, para quase todas as regras há fascinantes exceções. Vejamos três delas.

  1. Quando estudamos a meiose, aprendemos que esse é um processo em que células diploides (aquelas que carregam duas cópias completas do material genético, tipicamente uma de origem materna e outra de origem paterna) originam células haploides (com apenas uma das cópias do material genético). A regra geral é que a meiose funciona como um “sorteio justo”. Isso significa que, para um determinado trecho do genoma, metade dos gametas herda a versão do material genético oriunda da mãe, e a outra metade herda a versão de origem paterna. Aí entra em cena a exceção: há versões “egoístas” de genes que são capazes de subverter a meiose, alterando esse processo celular de modo que mais gametas são formados carregando a cópia egoísta do que a alternativa. Esse processo, chamado de “impulso meiótico”, resulta numa meiose em que a formação dos gametas não se dá por um sorteio justo. Como mais gametas carregando a versão egoísta do gene são formados, esta tende a se tornar mais comum na população. As regras do processo evolutivo são então diferentes daquelas da meiose justa e influenciam os rumos da evolução.

  2. Ao estudar o acasalamento em populações sexuais (ou seja, como os indivíduos se unem para trocar gametas e produzir a nova geração), é comum assumirmos uma regra geral: a de que os indivíduos cruzam-se ao acaso. Ou seja, no momento da escolha de parceiros, não há um traço genético ou fenotípico (isto é, alguma manifestação física do ser vivo) que influencia qual parceiro ou parceira a será escolhido. A regra geral vale como uma previsão que funciona para muitos traços e muitos grupos taxonômicos, mas há uma rica documentação das exceções. Nesses casos, em que a escolha de parceiros não se dá ao acaso, as mudanças evolutivas se dão de um modo diferente pois algumas combinações genéticas são formadas e outras não. Os modelos evolutivos foram e vêm sendo alterados para contemplar esse conhecimento.

  3. Estudando a importância evolutiva da reprodução sexual, aprendemos que um de seus atributos é embaralhar o genoma (através do processo de recombinação), gerando versões de cromossomos livres de mutações deletérias, num processo chamado de “limpeza genômica” (algo tratado em post anterior do Darwinianas). A importância do sexo e da recombinação para a limpeza genômica é apoiada por uma observação bastante geral: não há linhagens evolutivas de organismos assexuais que sejam muito antigas. Todos os seres assexuais vivos hoje são remanescentes de espécies que surgiram há relativamente pouco tempo na história evolutiva. Isso parece ser consequência do fato de que é impossível manter linhagens assexuais por muito tempo, pois o acúmulo de mutações acaba tornando-as inviáveis. Mas eis que surge a exceção: animais do classe Bdeloidea, habitantes microscópicos de ambientes de água doce, constituem uma linhagem assexual que já dura, de acordo com o registro fóssil, mais de 25 milhões de anos! Eis aqui uma exceção à regra da impossibilidade de persistência evolutiva por longos períodos de tempo, mesmo na ausência de sexo.

As três exceções a padrões gerais acima têm sido material de intenso estudo na comunidade científica. A seleção natural favoreceria as mutações que promovem o “impulso meiótico”, explicando sua existência? Os casos em que há preferência por um tipo de parceiro são fruto do processo de seleção sexual, em que certas escolhas são vantajosas pois aumentam a chance de a prole sobreviver?  Terão os Bdeloidea mecanismos capazes de compensar (ou reverter) o acúmulo de mutações deletérias?

Vemos que há um intenso diálogo entre regras gerais e exceções. Se, por um lado, as exceções diminuem a generalidade das regras que conhecíamos, as novas teorias também precisam se conciliar às explicações antigas. Por exemplo, a observação geral de que a ausência de sexo leva a acúmulo de mutações prejudiciais continua válida para muitos seres vivos, mas as novas observações indicam que há meios, em alguns grupos, para sobreviver longos períodos sem sexo. A biologia é uma ciência em que as exceções aos padrões gerais são recorrentes, mas podem e devem ser integradas à compreensão geral fornecida pelas teorias biológicas.

O século que se inicia

Para Sandell e Otto, a genética e a evolução foram, no século passado, ciências que se concentraram em descrever os padrões gerais. E graças a esses esforços aprendemos muito. Agora, porém, podemos ir além desses padrões, para sondarmos a diversidade da história da vida na Terra. Os bilhões de anos de evolução envolvendo milhões de linhagens de seres vivos (estima-se que há 5 milhões de espécies na terra) implicam uma diversidade estonteante de oportunidades para mudanças evolutivas. A evolução terá realizado os “experimentos” que alimentarão os pesquisadores com novos processos e padrões para estudar. Para Sandell e Otto, estamos entrando no século em que a variabilidade inerente na biologia será o foco de nosso estudo. Da mesma forma que as regras gerais sobre a meiose, cruzamentos ao acaso e inviabilidade de linhagens assexuais possuem exceções, é razoável prever que muitas outras regras da biologia também terão exceções. Cabe a nós procura-las.

Contemplar a diversidade biológica permitirá abordar perguntas ainda sem resposta: Por que há organismos com fases de vida larvais e adultas, e outros com desenvolvimento direto? Por que há tamanha variação no tamanho de genomas dos organismos? Por que o conteúdo dos genomas varia tanto? Por que há espécies em que os sexos são separados, enquanto há outras em que um mesmo indivíduo reúne órgão sexuais masculinos e femininos? Por que a variabilidade genética varia entre diferentes espécies? A diversidade de formas e processos biológicos precisa ser investigada para respondermos essas questões.

Com as ferramentas vindas da genômica, a potência do processamento de dados vinda das ciências da computação e a possibilidade de investigar organismos que até recentemente não faziam parte do repertório básico de geneticistas (pois estes focavam principalmente em organismos modelo, como ratos, camundongos, drosophila e humanos), novas fronteiras poderão ser abertas.

Estudar as novas questões exigirá ver como, na vasta árvore da vida, traços ligados a modos de reprodução, formas de desenvolvimento, tamanhos de genoma, ou níveis de variabilidade, entre outros, estão distribuídos. Esse panorama exigirá a integração de esforços de pesquisadores com diferentes especializações e interesses, envolvendo aqueles voltados para a inferência de filogenias, aqueles com interesse em história natural, e também os mais focados em análises genômicas. Desse esforço emergirá um retrato de como características variam na árvore da vida, e isso ajudará a entender a diversidade de processos evolutivos. Entre regras gerais e exceções, construiremos uma ciência capaz de explicar a diversidade de formas de vida de nosso planeta. Agora é um momento fascinante para se estudar biologia.

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Fonte: http://www.genetics.org/content/204/2/395.figures-only

 

Diogo Meyer (USP)

PARA SABER MAIS

Sandell, S.P. Otto, Probing the Depths of Biological Diversity During the Second Century of GENETICS, 204 (2016) 395–400. doi:10.1534/genetics.116.187625.

Hua, L. Bromham, Darwinism for the Genomic Age: Connecting Mutation to Diversification, Front. Genet. 8 (2017) 12. doi:10.3389/fgene.2017.00012.

Maynard Smith,J.& Szathmary,E.(1995). The Major Transitions in Evolution.W.H. Freeman, Oxford.

O conhecimento e a verdade

O conhecimento científico não é estático. Aquilo que ensinamos hoje pode ser alterado amanhã, à medida que novos estudos são feitos. Conviver com essas mudanças faz parte da atividade científica. No estudo da biologia evolutiva não é diferente.

Uma ideia comum sobre a ciência é a de que ela é uma atividade que “busca a verdade”. A intuição por trás dessa afirmação é a seguinte: cientistas buscam explicações que devem estar, de alguma forma, em conformidade com a forma como o mundo funciona. Esse “encaixe” entre as explicações que damos e o mundo que nos rodeia seria, segundo essa concepção, uma instância de “encontrar a verdade”. Continue Lendo “O conhecimento e a verdade”

Uma questão de pele

O que explica as grandes diferenças na cor de pele em nossa espécie? Hoje sabemos que mutações em diversos genes contribuem para essa variação. E descobrimos também o que tornou algumas mutações comuns em certas regiões do mundo e raras em outras: a seleção natural.

Há imensa variação na cor de pele de humanos: temos desde pele muito escura até muito clara. E, é claro, uma imensa gama intermediária. Por que? Como é comum em biologia, há diferentes formas de responder à questão. Continue Lendo “Uma questão de pele”

Vamos conversar sobre raça

A validade biológica de raças humanas vem sendo refutada por cientistas. Mas o emprego do termo segue vivo. Por que seguimos utilizando essa palavra? Se formos abandoná-la, de que forma trataremos das semelhanças e diferenças entre populações humanas?

O termo “raça” tem sido usado para descrever a variabilidade de nossa espécie há pelos menos três séculos. De modo geral, a ideia é que uma raça representa um grupo de populações que compartilham algumas características físicas, culturais ou biológicas. Mas não há uma definição exata do que é uma raça nem de quantas existem em nossa espécie. Consequentemente, biólogos se debruçaram sobre a seguinte questão: até que ponto os achados genéticos sustentam a utilização de categorias raciais? Continue Lendo “Vamos conversar sobre raça”

Ainda estamos evoluindo?

Será que nossa espécie continua evoluindo? Para alguns pesquisadores, o desenvolvimento tecnológico e os avanços médicos nos isolam dos efeitos da seleção natural, essencialmente freando o processo evolutivo. Aqui retomo essa questão e argumento que, apesar das inovações culturais, a evolução continua ocorrendo.

Sabemos muito sobre como mudanças evolutivas nos trouxeram até os dias de hoje. Mas o que o futuro nos reserva? Nossa espécie continua evoluindo? Daqui alguns milhares de anos os humanos serão diferentes de hoje? Continue Lendo “Ainda estamos evoluindo?”

As mutações que carregamos

Estamos acostumados a considerar que a seleção natural inexoravelmente eliminará das populações as mutações que são prejudiciais. Porém, há um processo evolutivo é capaz de se opor à seleção e que explica a persistência de mutações prejudiciais em nossos genomas

Toda vez que uma criança nasce, ela carrega aproximadamente 50 mutações novas, que surgiram nos gametas produzidos pelos seus progenitores. Como populações são formadas por grandes números de indivíduos, a cada geração muitas mutações estão surgindo. Continue Lendo “As mutações que carregamos”