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EVOLUÇÃO AULA 1 Prof.ª Duane Fernandes de Souza Lima 2 CONVERSA INICIAL Você com certeza já ouviu falar de evolução. Essa palavra tem origem no latim evolvere, que significa “desenvolver, desenrolar”. Mas será que você sabe que evolução em biologia tem um significado diferente do coloquial? E será que você conhece todo o histórico por trás do desenvolvimento das teorias evolutivas? Pode-se dizer que as ideias sobre esse tema tiveram início nos tempos remotos da Grécia Antiga e ainda hoje aguçam as mentes de cientistas ao redor do mundo. Diversas teorias foram propostas ao longo do tempo, algumas complementares e outras antagonistas, em um processo dinâmico. A pesquisa em biologia evolutiva tem progredido consideravelmente e anda a passos largos na atualidade, principalmente seguindo o avanço de técnicas moleculares, como o sequenciamento de genomas inteiros, e o maior desempenho computacional. Portanto, essa é uma boa hora de aprender evolução ou ser um biólogo evolucionista. Nesta abordagem, começaremos discutindo o significado de evolução biológica (Tema 1) e, então, passaremos para um histórico sobre o tema. Falaremos de filósofos gregos e do francês Jean-Baptiste de Lamarck, que foi o primeiro cientista a advogar sobre evolução abertamente (Tema 2), bem como do inglês Charles Darwin e da teoria darwiniana (Tema 3). Então discutiremos a síntese moderna da evolução, que conta com conceitos de genética mendeliana e de populações (Tema 4), e finalizaremos com perspectivas mais recentes da teoria evolutiva, as quais estão em discussão no momento e abrem espaço para novas explicações para o processo evolutivo (Tema 5). Os objetivos deste conteúdo são compreender a evolução biológica e entender como se construiu e como avança a construção do pensamento evolutivo. TEMA 1 – O QUE É EVOLUÇÃO? Em um sentido bastante amplo, evolução significa o ato de mudança. Nesse sentido, qualquer coisa pode evoluir, desde galáxias e linguagens até civilizações ou mesmo você! Realmente é bastante comum ouvirmos no palavreado popular que tal coisa ou pessoa “evoluiu”, e, na grande maioria dos casos, isso quer dizer que aquela coisa ou pessoa mudou para melhor. 3 Mas o que realmente interessa ao nosso estudo é a evolução biológica ou evolução orgânica, a qual tem um significado e um contexto bem diferente e mais específico do que o citado acima, significando simplesmente “descendência com modificação” (Figura 1). Em outras palavras, a evolução biológica é a mudança nas características de organismos que passam de uma geração para a outra. Nesse cenário, as mudanças transcendem a vida de um único indivíduo, ou seja, organismos individuais não evoluem! O desenvolvimento (ou ontogenia) de um indivíduo não é considerado evolução (Figura 2). Figura 1 – Esquema representativo de evolução biológica: descendência com modificação a partir de um ancestral comum. Nesse caso, diferentes organismos tetrápodes são descendentes de um único ancestral e adquiriram modificações ao longo das gerações (em milhares de anos) até a morfologia atual Fonte: Duane Fernandes Lima. Figura 2 – Desenvolvimento de uma borboleta ao longo do tempo, desde o ovo até a fase adulta (da esquerda para direita). O desenvolvimento de um único indivíduo não é considerado evolução em biologia 4 Crédito: mart/Shutterstock. As mudanças só são consideradas evolutivas no sentido biológico se forem herdáveis através do material genético por gerações. Podem se dar em escalas bastante sutis, como uma pequena mudança na frequência de alelos de determinado gene através de gerações dentro de uma população, ou em escalas amplas, como a origem de diferentes espécies a partir de um único ancestral comum ao longo de muitas gerações e milhares de anos. Esses dois exemplos representam casos de microevolução (pequenas mudanças herdáveis em curto período de tempo) e macroevolução (grandes mudanças herdáveis no decorrer de longas escalas de tempo). É importante ficar claro que nenhum mecanismo que leva à evolução biológica é providencial, ou seja, ela não tem propósito, objetivo e direção definidos. Por exemplo, as mudanças ocorridas em uma espécie não a equiparam propositalmente para desafios ambientais futuros. Por não ser progressista, a evolução biológica não deve ser entendida como progresso de seres “inferiores” ou “menos evoluídos” para seres “superiores” ou “mais evoluídos”; inclusive, o uso desses termos no contexto evolutivo está incorreto e deve ser evitado. Ademais, a evolução biológica não pode nunca ser entendida como emergência da espécie humana. Todos os seres viventes na atualidade, desde as bactérias Escherichia coli que vivem no seu intestino até as araucárias que ainda restam na Mata Atlântica e os peixes dragão-negro que vivem nas profundezas do oceano são igualmente “evoluídos”. 5 TEMA 2 – PRÉ-DARWINISMO Para entender o pensamento evolutivo moderno, é imprescindível compreender o seu contexto histórico. Ideias sobre a existência de seres vivos foram formuladas desde os tempos remotos da Grécia Antiga até a apresentação da famosa teoria da evolução apresentada por Charles Darwin, já no século XIX, a qual revolucionou a visão de mundo. 2.1 A filosofia do essencialismo As ideias do filósofo grego Platão tiveram grande efeito sobre o pensamento biológico. Importantemente, sua filosofia era baseada no conceito de eidos, que eram “formas” ideais imperfeitamente imitadas por seus representantes na Terra. Por exemplo, as borboletas que vemos hoje são representações imperfeitas da borboleta modelo, perfeita, que existe no mundo transcendental das ideias. Essa borboleta perfeita tem uma essência imutável, mas cada borboleta mundana tem imperfeições. Na teoria do essencialismo, a variação encontrada na natureza é resultado de mera imperfeição acidental. Essa teoria foi incorporada e difundida na filosofia ocidental por Aristóteles, discípulo de Platão, que usou o essencialismo para explicar que espécies tem propriedades fixas. A ideia de que cada espécie foi individualmente criada por Deus, acreditada por inúmeras pessoas ainda atualmente, foi adotada nos princípios da teologia cristã. Na obra divina, todas as coisas têm seu lugar fixado, existindo um padrão que segue a “Grande Escala dos Seres” ou a Scala Naturae, em que pode ser observada uma gradação que começa em coisas inanimadas, passando por plantas, animais “inferiores”, o homem, e culminando nos anjos. Naturalistas proeminentes da época, como Carolus Linnaeus (1707-1778), pai da taxonomia moderna, desenvolveram seus trabalhos na busca do entendimento de padrões da criação divina. Foi somente no século XVIII que a teoria do essencialismo começou a ser posta em prova por conta do desenvolvimento da ciência empírica. Nessa época, teorias astronômicas sobre a origem das estrelas e dos planetas e teorias geológicas sobre a deposição e idade de rochas sedimentares começaram a pavimentar o caminho para ideias sobre evolução. Na geologia, teve-se a noção de que a Terra é muito mais antiga do que se pensava, que esteve em constante 6 mudança ao longo dos anos e que foi habitada por seres agora extintos. No final do século XVIII, alguns naturalistas começaram a sugerir que as espécies surgiam por causas naturais. 2.2 Lamarck e a teoria do uso e desuso A hipótese evolutiva pré-darwiniana mais significativa foi criada por Jean- Baptiste de Lamarck (1744-1829), o primeiro cientista que apresentou um mecanismo para tentar explicar a evolução, cuja teoria foi publicada em seu livro Philosophie zoologique (1809). Lamarck acreditava que as formas de vida que estão na base da grande escala dos seres surgem continuamente a partir de matéria inanimada, por geração espontânea, e então progridemem direção à maior complexidade. A progressão é alcançada por meio de alterações na morfologia dos organismos, que são guiadas pelo ambiente e passadas de geração em geração. Essas alterações morfológicas são resultado do uso e desuso: cada espécie tem necessidades diferentes dependendo do ambiente em que vivem, e isso faz com que os organismos usem mais ou menos alguns órgãos e apêndices corporais, culminando em modificações da morfologia que são transmitidas para a prole. Ou seja, os caracteres adquiridos durante a vida do organismo eram herdados diretamente pela sua prole, constituindo o princípio da herança dos caracteres adquiridos. O exemplo mais famoso de Lamarck é o caso das girafas. Acreditava-se que originalmente esses animais tinham pescoços curtos que eram constantemente esticados para alcançar as folhagens no topo de árvores para se alimentar. O esforço de esticar o pescoço resultava em um alongamento dessa estrutura ao longo da vida do indivíduo, sendo que esse pescoço alongado era então transmitido para os seus filhotes. Dessa forma, ao longo das gerações, os pescoços das girafas ficaram mais e mais longos (Figura 3). 7 Figura 3 – A teoria de Lamarck exemplificada pelo caso do pescoço das girafas. O ancestral (girafa à esquerda) teria um pescoço curto, que foi crescendo em comprimento por causa do esforço da girafa em esticá-lo para alcançar comida Crédito: Erebormountain/Shutterstock. As ideias de Lamarck não foram bem aceitas na época, e hoje sabemos que a teoria do uso e desuso é incorreta. É muito claro pensar, por exemplo, que os músculos de um fisioculturista que foram superdesenvolvidos ao longo de sua vida não são herdados igualmente desenvolvidos pelos seus filhos. TEMA 3 – DARWINISMO Charles Darwin (1809-1882) é uma das figuras mais importantes no desenvolvimento científico moderno, especialmente por sua teoria da seleção natural. Em 1831, Darwin guinou sua carreira como naturalista com uma viagem de quase cinco anos a bordo do HMS Beagle, saindo da Inglaterra e passando pela costa da América do Sul até as Ilhas Galápagos, no oceano Pacífico. Durante essa viagem, Darwin coletou muitos espécimes, incluindo fósseis, e fez inúmeras observações e anotações sobre biologia e geologia. Após seu retorno à Inglaterra, seu colega ornitologista John Gould apontou que espécimes de tentilhões coletados por Darwin em Galápagos eram tão diferentes de uma ilha para a outra que possivelmente representavam espécies diferentes. Isso, aliado a suas observações de similaridade entre fósseis e animais viventes, auxiliou Darwin na concepção da ideia de que as espécies evoluíam de um único ancestral. 8 Em 1838, Darwin teve acesso a um ensaio do economista Thomas Malthus, que informava que a taxa de crescimento da população humana era maior que a taxa de fornecimento de alimentos, podendo culminar na fome e consequente luta pela sobrevivência. Essa leitura foi uma inspiração para a teoria da seleção natural. Durante 20 anos, Darwin permaneceu acumulando evidências para sua teoria e, em 1856, iniciou uma obra que se chamaria Seleção natural. Entretanto, em 1858, antes de finalizá-la, recebeu um manuscrito do naturalista e biogeógrafo Alfred Russel Wallace (1823-1913), o qual apresentava de maneira independente ideias bastante similares de seleção natural. Em 1844, por incentivo de seus colegas Charles Lyell e Joseph Hooker, partes de sua obra não acabada foram apresentadas oralmente junto com o manuscrito de Wallace em um encontro da Linnean Society, em Londres, mas não obtiveram muito entusiasmo por parte da comunidade científica. Com isso, Darwin resolveu publicar, em 1859, a obra On the origin of species by means of natural selection, or the preservation of favoured races in the struggle for life (ou simplesmente A origem das espécies, em português). Apesar de não levar os devidos créditos, é imprescindível reconhecer Wallace como codescobridor da teoria da seleção natural. 3.1 A origem das espécies (1859) Em sua obra A origem das espécies, Darwin apresenta duas teorias separadas que são imperativas no pensamento evolutivo moderno. A primeira é a descendência com modificação. Todas as espécies, viventes ou extintas, sem exceção, descendem de um ancestral comum. Assim que divergem desse ancestral, as espécies são muito parecidas entre si, mas diferenças (genéticas, morfológicas, ecológicas, fisiológicas) se acumulam ao longo do tempo, até que se tornem radicalmente diferentes umas das outras. Assim como Lamarck, Darwin acreditava na herança dos caracteres adquiridos (Ridley, 2007). Mas essa hipótese foi refutada na década de 1880, quando fortes evidências e argumentos apresentados por August Weismann (1833-1914) mostraram que as características adquiridas não eram herdadas. A segunda teoria é sobre a seleção natural, um mecanismo que explica as alterações ocorridas nas espécies durante o processo evolutivo. A seleção gera adaptações que promovem maior chance de sobrevivência e/ou maior sucesso reprodutivo aos indivíduos que as desenvolvem. A grosso modo, os 9 indivíduos melhor adaptados têm maiores habilidades para sobreviver e reproduzir-se e são, por isso, selecionados. Essas adaptações são resultado de modificações que surgem para ajustar o organismo ao seu ambiente. Nas palavras de Darwin: Mas se variações úteis a qualquer organismo vivo ocorrem, indivíduos assim caracterizados seguramente vão ter melhor chance de serem preservados na luta pela sobrevivência; e a partir do forte princípio de herança, esses [indivíduos] tendem a produzir prole igualmente caracterizada. Esse princípio de preservação, ou de sobrevivência do mais apto, eu chamei de seleção natural (Darwin, 1859, p. 123, tradução nossa). No caso dos tentilhões de Galápagos, por exemplo, Darwin acreditou que as diferenças entre as espécies, que se davam principalmente na morfologia do bico, estavam relacionadas à disputa por alimentos e luta pela sobrevivência. Os bicos diferentes foram adaptações adquiridas que permitiram às espécies explorarem novos nichos, garantindo-lhes sucesso na sobrevivência, e foram herdadas pelas gerações seguintes (Figura 4). É importante ressaltar que essas adaptações quase sempre passam por inúmeras gerações e podem levar milhares de anos para se estabelecerem de fato nas populações. Figura 4 – Irradiação adaptativa dos tentilhões de Galápagos. Note que as diferentes espécies de tentilhão têm diferentes hábitos de vida e alimentares, que são adaptações moldadas pela seleção natural Crédito: Vecton/Shutterstock. 10 TEMA 4 – SÍNTESE MODERNA DA EVOLUÇÃO A hipótese da seleção natural foi compreendida e aceita por poucos até cerca de 1920. Ideias antidarwinistas surgiram, como o neolamarckismo (reavivamento dos princípios de Lamarck), teorias ortogenéticas (dizendo que toda variação surge com um objetivo fixo, sem necessidade da seleção natural) ou teorias mutacionistas (postulando que mutações geram fenótipos novos que são considerados espécies novas, sem a necessidade da seleção natural). Somente nas décadas de 1930 e 1940, com o surgimento da síntese moderna da evolução (ou teoria sintética, ou neodarwinismo), as ideias de Darwin começaram realmente a ser aceitas. Na síntese moderna, a teoria da seleção natural é entendida em conjunto com genética, sistemática, paleontologia, morfologia comparada e embriologia. Os trabalhos sobre genética e a teoria da hereditariedade de Gregor Mendel (1822-1884) foram fundamentais para a conceitualização da síntese moderna. 4.1 Gregor Mendel e a herança particulada Infelizmente, Darwin nunca conseguiu explicar quais eram as fontes de variação dos organismos. Acreditava-se na época em herança por mistura, já que as características intermediárias herdadas pela prole eram uma misturade “fluidos” parentais, assim como tintas de cores diferentes podem ser misturadas. Porém, nesse caso, a tendência é que a variação diminua, pois a população se tornaria homogênea. Em 1900, com o descobrimento de um trabalho publicado em 1865 por Mendel, as fontes de variação começaram a ser entendidas. A teoria da herança particulada de Mendel postulava que a herança é baseada em partículas não alteradas de geração em geração. As partículas parentais passadas para a prole atuam em combinação (e não mistura), gerando fenótipos intermediários. Esse fenômeno faz com que a variação persista ao longo do tempo. A herança particulada está embebida na teoria da hereditariedade de Mendel (genética mendeliana), que é amplamente aceita como base da genética moderna. As características herdáveis são mantidas por genes (chamados por Mendel de “fatores”) que se separam na formação dos gametas, sendo que a prole é constituída por metade da carga genética da mãe e metade do pai (Figura 5). A combinação dos genes de um indivíduo é denominada genótipo. A 11 expressão dos genes no organismo, em conjunto com a influência de fatores ambientais, é denominada fenótipo. Crédito: Vectormine/Shutterstock. Figura 5 – Exemplo de herança particulada, teoria da hereditariedade. Os pais produzem “partículas” (gametas) que são passadas para os filhos. Cada filho recebe carga genética contida nos gametas da mãe e do pai, que atuam em combinação para expressar o fenótipo 4.2 Contribuições da genética de populações Além de Mendel, os trabalhos de Ronald Fisher (1860-1962), John Haldane (1892-1964) e Sewall Wright (1889-1988) tiveram grande impacto. Publicados entre 1930 e 1932, esses estudos integraram ainda mais a genética mendeliana com a teoria de seleção natural, por meio do teorema matemático HEREDITARIEDADE 12 de Hardy-Weinberg e princípios de genética de populações. As populações evoluem por mudanças na frequência gênica provocadas principalmente pela seleção natural, mas outras explicações também começaram a ser dadas, como endocruzamento, fluxo gênico e deriva genética. Os estudos de variação genética em populações naturais e evolução continuaram com diversos pesquisadores, entre eles Theodosius Dobzhansky (1900-1975), que publicou uma das obras mais influentes da síntese moderna, intitulada Genética e a origem das espécies (1937). Esses estudos formaram o arcabouço da síntese moderna: a evolução ocorre por meio de alterações nas frequências gênicas e alélicas de populações, causadas por fatores ou forças evolutivas, como mutação, recombinação, deriva genética, fluxo gênico (migração) e seleção natural. A especiação, processo que resulta em aumento da diversidade, ocorre quando populações adquirem diferenças suficientes e se tornam isoladas reprodutivamente. TEMA 5 – A EVOLUÇÃO A PARTIR DA SÍNTESE MODERNA O estudo de evolução continua a se expandir a partir de novas informações e tecnologias, visando explorar os processos de diversificação e adaptação de linhagens. O conhecimento da estrutura do DNA por Watson e Crick (1953) e os recentes avanços na biologia molecular e em tecnologia computacional, em particular, têm revolucionado as pesquisas em evolução. Novos ramos da biologia evolutiva surgiram, como a evolução molecular, a biologia evolutiva do desenvolvimento (popularmente “evo-devo”) e a genômica evolutiva. Áreas como etologia e ecologia são cada vez mais incorporadas no estudo sobre evolução. 5.1 A síntese estendida da evolução No panorama atual, a síntese estendida da evolução propõe uma nova conceitualização, retendo o arcabouço teórico da síntese moderna, mas abrangendo também outros processos que podem ser responsáveis pela evolução. Segundo Laland et al. (2015), os seguintes processos merecem destaque: 1. Evo-devo – usa biologia comparada para identificar os princípios de desenvolvimento que regulam diferenças fenotípicas dentro e entre 13 populações e espécies, podendo, então, detectar propriedades do desenvolvimento que podem afetar as taxas e os padrões de evolução fenotípica. 2. Herança inclusiva – postula que outros mecanismos, além da herança por transmissão de DNA de pai para filho, contribuem para a hereditariedade, por exemplo hormônios presentes no óvulo após fertilização, interações de comportamento entre pai e filho, e herança de simbiontes ou infecções por meio dos gametas. 3. Construção de nicho – é explicada pela modificação das condições do ambiente por meio do metabolismo ou atividades dos organismos que vivem ali, consequentemente afetando a seleção deles próprios e de outras espécies. 4. Plasticidade fenotípica – é a capacidade de os organismos mudarem seu fenótipo de acordo com o ambiente em que vivem, podendo ser a causa da evolução fenotípica, já que podem alterar, por exemplo, a conectividade de populações e o fluxo gênico. NA PRÁTICA Hoje vivemos a crise dos antibióticos, que é um perigo crescente para todas as espécies que habitam o planeta. Leia e analise o texto abaixo, retirado de Futuyma (2009, p. 2-3, tradução nossa). [...] Antes dos anos 40, a maioria das pessoas em hospitais não tinha câncer ou doença do coração. Elas sofriam de tuberculose, pneumonia, meningite, febre tifoide, sífilis e muitos outros tipos de infecção por bactérias – e elas tinham poucas esperanças de saírem curadas. [...] Por volta dos anos 60, a situação médica mudou dramaticamente. Foram descobertas drogas antibióticas, e os subsequentes avanços na síntese dessas drogas levaram à superação dessas doenças, pelo menos em países desenvolvidos. [...] Em 1969, o Cirurgião Geral dos Estados Unidos proclamou que era tempo de “fechar o livro das doenças infecciosas”. Ele estava errado. Hoje nós enfrentamos não apenas novas doenças infecciosas como a AIDS, mas também a ressurgência de antigas doenças, como a tuberculose. As mesmas bactérias estão de volta, mas agora elas são 14 resistentes à penicilina, ampicilina, eritromicina, vancomicina, fluoroquinolonas – todas as armas que supostamente acabaram com elas. Quase todos os hospitais no mundo tratam casos na batalha contra esses oponentes alterados, e não intencionalmente podem tornar esses oponentes mais fortes. Nesse sentido, os humanos estão instigando uma explosão de mudanças evolutivas. [...] Após a análise do texto, faça uma pesquisa sobre o tema “crise dos antibióticos” na internet. Várias reportagens e notícias podem ser facilmente encontradas, mas tome o cuidado de consultar aquelas provenientes de fontes confiáveis, como o site da Fiocruz, de universidades, da Organização Mundial da Saúde etc. Agora, reflita sobre o tema e os conteúdos aqui apresentados, e responda às questões abaixo: 1. Por que as bactérias estão se tornando cada vez mais resistentes aos antibióticos? 2. Qual é o fenômeno que está conferindo tal resistência? Explique. 3. Quais medidas podem ser tomadas para frear a crise dos antibióticos? FINALIZANDO Nesta abordagem, aprendemos que evolução biológica é sinônimo de descendência com modificação. Apenas populações e/ou espécies evoluem; um único indivíduo nunca evolui. Para compreender evolução como um todo, é importante conhecer as principais ideias evolutivas que foram difundidas ao longo do tempo. O quadro a seguir mostra uma síntese dessas ideias, em ordem cronológica. Teoria do essencialismo Espécies apresentam propriedades fixas. Variação encontrada na natureza é resultado de imperfeições de formas ideais que existem no mundo transcendental. Lamarckismo Hipótese evolutiva pré-darwiniana mais importante. Uso e desuso: órgãos e apêndices se desenvolvem mais ou menos dependendo das necessidades do indivíduo. As modificações adquiridas são transmitidas para a prole (herança dos caracteres adquiridos). 15 Darwinismo 1. Seleçãonatural, descoberta independentemente por Darwin e Wallace: adaptações são resultado de modificações que surgem para adequar o organismo ao ambiente; sobrevivência do mais apto. 2. Descendência com modificação: todas as espécies viventes e extintas descendem de um ancestral comum. Teorias antidarwinistas Neolamarckismo, teorias ortogenéticas e mutacionistas: variação surge e se estabelece sem a atuação da seleção natural. Síntese moderna Ideias darwinistas aliadas com contribuições da genética mendeliana e de populações. A diversidade de organismos pode ser explicada pela seleção natural, mutação, recombinação e deriva genética. Síntese estendida Outros campos, como a biologia evolutiva do desenvolvimento, a evolução molecular e a ecologia, são incorporados ao pensamento evolutivo. Outros processos podem explicar a evolução além daqueles postulados pela síntese moderna. Fonte: Duane Fernandes Lima. 16 REFERÊNCIAS DARWIN, C. R. On the origin of species. London: John Murray, 1859. FUTUYMA, D. J. Evolution. 2. ed. Sunderland: Sinauer Associates, 2009. LALAND, K. N. et al. The extended evolutionary synthesis: its structure, assumptions and predictions. Proceedings of the Royal Society B, v. 282, n. 1813, p. 2-14, 2015. RIDLEY, M. Evolução. 3. ed. Porto Alegre: Artmed, 2007. WATSON, J. D.; CRICK, F. H. C. A structure for deoxyribose nucleic acid. Nature, v. 171, p. 737-738, 1953.