De onde vieram os animais?

As bactérias podem ter ajudado organismos unicelulares a dar um salto rumo a animais multicelulares.

De Kat McGowan. Publicado na Quanta Magazine¹.

Durante bilhões de anos, criaturas unicelulares tinham o planeta só para si, flutuando pelos oceanos em êxtase solitário. Alguns microrganismos tentaram arranjos multicelulares, formando pequenas sequências ou filamentos celulares. Mas esses empreendimentos tiveram obstáculos. A célula única governava a Terra.

A seguir, mais de três bilhões de anos após o surgimento dos micróbios, a vida ficou mais complexa. As células se organizaram em estruturas tridimensionais. Elas começaram a dividir o trabalho da vida e assim alguns tecidos ficaram encarregados da locomoção pelos arredores enquanto outros comandavam ou digeriam. Elas desenvolveram novas formas para que as células se comunicassem e compartilhassem recursos. Essas criaturas multicelulares complexas foram os primeiros animais, e eles foram um grande sucesso. Logo depois, cerca de 540 milhões de anos atrás, a vida animal entrou em eclodiu, se diversificando em um caleidoscópio de formas no que se conhece como a explosão Cambriana². Protótipos para cada plano de forma animal rapidamente emergiram, dos caracóis marinhos a estrela-do-mar, de insetos a crustáceos. Todo animal que viveu desde então tem sido uma variação em um dos temas que surgiram durante esse período.

Como a vida fez esse salto espetacular da simplicidade unicelular para a complexidade multicelular? Nicole King³ ficou fascinada por essa questão desde que começou sua carreira como bióloga. Fósseis não oferecem uma resposta clara: dados moleculares indicam que o Urmetazoan, o ancestral de todos os animais, surgiu entre 600 e 800 milhões de anos atrás, mas os primeiros fósseis inequívocos de corpos de animais aparecem somente há 580 milhões de anos. Então, King voltou-se para os coanoflagelados, criaturas aquáticas microscópicas cujo tipo de corpo e genes os colocam bem próximo da base da árvore genealógica dos animais. “Os coanoflagelados são, para mim, claramente o organismo a ser observado se você estiver olhando para as origens dos animais”, disse King. Nesses organismos, que podem viver como células únicas ou como colônias multicelulares, ela encontrou grande parte das ferramentas moleculares necessárias para iniciar a vida animal. E, para sua surpresa, ela descobriu que as bactérias podem ter desempenhado um papel crucial no início desta nova era.

Em um longo artigo⁴ que foi publicado em um volume especial de Cold Spring Harbor Perspectives in Biology, King explica o caso da influência das bactérias no desenvolvimento da vida animal. Para começar, as bactérias serviram de alimento para os nossos antigos antepassados, e isso provavelmente exigia que esses protoanimais desenvolvessem sistemas que permitissem reconhecer as melhores presas bacterianas, capturá-las e engoli-las. Todos esses mecanismos foram reutilizados para se adequarem às vidas multicelulares dos primeiros animais. A revisão de King junta-se a uma ampla onda de pesquisa que coloca as bactérias no centro da história da vida animal. “Nós fomos obrigados a interagir intimamente com bactérias há 600 milhões de anos”, disse King, bioquímica pela Universidade de Harvard e atualmente bióloga evolutiva da Universidade da Califórnia, em Berkeley, e investigadora do Howard Hughes Medical Institute. “Elas estavam aqui primeiro, são abundantes e são dominantes. Em retrospecto, deveríamos ter esperado isso.”

Motivação Multicelular

Embora tenhamos a tendência de considerar a ascensão dos animais como algo natural, é razoável perguntar por que eles finalmente emergiram, dados os bilhões de anos de sucesso dos organismos unicelulares. “As bactérias existem, e são abundantes, nos últimos 3,5 bilhões de anos”, disse Michael Hadfield⁵, professor de biologia na Universidade do Havaí, em Manoa. “Os animais jamais vieram a existir antes de 700 ou 800 milhões de anos atrás”.

A cianoflagelada Salpingoeca rosetta pode se dividir em pequenas colônias (“rosetas”) quando as bactérias certas estão por perto. Os primeiros animais multicelulares podem ter feito algo semelhante. No laboratório, King viu colônias com até 50 células. Imagem: cortesia do King Lab.

As exigências técnicas para a multicelularidade são significativas. As células que se comprometem a viver juntas precisam de um novo conjunto de ferramentas. Eles têm que encontrar maneiras de se unir, se comunicar e compartilhar oxigênio e comida. Eles também precisam de um programa mestre de desenvolvimento, uma maneira de direcionar células específicas para assumir trabalhos especializados em diferentes partes do corpo.

Não obstante, durante o curso da evolução, a transição para a multicelularidade ocorreu separadamente em até 20 épocas diferentes⁶ nas linhagens de algas a plantas e fungos. Mas os animais foram os primeiros a desenvolver corpos complexos, emergindo como o exemplo mais espetacular do sucesso multicelular precoce.

Para entender por que isso deve ter acontecido da maneira que aconteceu, King começou a estudar os coanoflagelados, o parente vivo mais próximo dos animais, a aproximadamente quinze anos atrás, como pós-doutorado na Universidade de Wisconsin, em Madison. Os coanoflagelados não são as criaturas mais carismáticas, consistindo de uma bolha oval equipada com um único flagelo semelhante à cauda que impulsiona o organismo através da água e isso permite também que ele coma. O rabo, debatendo-se para a frente e para trás, conduz uma corrente através de uma franja rígida, semelhante a uma gola, composta de filamentos finos de membrana celular. As bactérias são apanhadas nessa corrente e aderem ao colar, e o coano as engole.

O que intrigou King sobre os coanoflagelados foi a flexibilidade em seu estilo de vida. Enquanto muitos coanos vivem como células únicas, algumos também podem formar pequenas colônias multicelulares. Na espécie Salpingoeca rosetta, que vive em estuários costeiros, a célula se divide e se prepara para se separar, mas para pouco antes de completar a separação, resultando em duas células filhas ligadas por um filamento fino⁷. O processo se repete no laboratório, criando rosetas ou esferas contendo até 50 células. Se tudo isso lhe soa familiar, há uma razão para isso — embriões animais se desenvolvem a partir de zigotos da mesma maneira, e colônias esféricas de coanoflagelados parecem estranhamente como embriões de animais em estágio inicial.

Quando King começou a estudar S. Rosetta, ela não conseguia que as células formassem consistentemente colônias no laboratório. Mas em 2006, um estudante tropeçou em uma solução. Em preparação para o sequenciamento do genoma, ele mergulhou uma cultura com antibióticos, e de repente a S. Rosetta floresceu em copiosas rosetas. Quando bactérias que foram coletadas junto com o espécime original foram adicionadas de volta a coanoflagelados únicos em uma cultura de laboratório, eles também formaram colônias. A explicação provável para esse fenômeno é que o tratamento antibiótico do aluno matou inadvertidamente uma espécie de bactéria, permitindo que outra que compete com ela se prosperasse. O gatilho para a formação de colônias foi um composto⁸ produzido por uma espécie anteriormente desconhecida de bactérias Algoriphagus da qual a S. rosetta se alimenta.

A S. Rosetta parece interpretar o composto como uma indicação de que as condições são favoráveis para a vida em grupo. King supõe que algo semelhante poderia ter acontecido há mais de 600 milhões de anos, quando o último ancestral comum de todos os animais iniciou sua fatídica jornada rumo à multicelularidade. “Minha suspeita é que os progenitores dos animais foram capazes de se tornarem multicelulares, mas poderiam alternar entre a vida em grupo e a vida unicelular a depender das condições ambientais”, disse King. Mais tarde, a multicelularidade tornou-se fixa nos genes como uma programação de desenvolvimento.

A persistência de King em estudar esse humilde organismo, que foi negligenciado pela maioria dos biólogos contemporâneos, lhe valeu a admiração de muitos de seus colegas cientistas (assim como uma prestigiada bolsa de estudos MacArthur). “Ela escolheu estrategicamente um organismo para obter informações sobre a evolução inicial dos animais e estudou-o sistematicamente”, disse Dianne Newman⁹, bióloga do Instituto de Tecnologia da Califórnia (Caltech), em Pasadena, que estuda como as bactérias evoluem com o meio ambiente. A pesquisa de King oferece um vislumbre emocionante do passado, uma janela rara para o que poderia estar acontecendo durante aquele período misterioso antes que os primeiros animais fossilizados aparecessem. A pesquisa é um “belo exemplo” de como as bactérias moldam até mesmo as formas mais simples de vida complexa, disse Newman. “Isso nos lembra que mesmo nesse nível de desenvolvimento animal, você pode esperar gatilhos do mundo microbiano”. O sistema bacteriano da S. Rosetta pode agora ser usado para responder a mais perguntas específicas, como qual seria o benefício da multicelularidade — uma pergunta que King e seus colaboradores em Berkeley estão trabalhando para responder.

É claro, só porque as bactérias desencadeiam os coanoflagelados modernos na vida em grupo, isso não significa que eles tiveram o mesmo efeito nos primeiros protoanimais. A descoberta de King é “muito legal”, disse William Ratcliff¹⁰, biólogo do Instituto de Tecnologia da Geórgia, em Atlanta, que experimentalmente induz leveduras a formar colônias multicelulares. “Eu acho que ela está fazendo algumas das pesquisas mais interessantes sobre as origens dos animais”. Mas, ele adverte, é possível que os coanoflagelados tenham desenvolvido esse mecanismo bem depois que eles divergiram das criaturas que se tornaram os primeiros ancestrais dos animais. “Não temos uma imagem clara de quando essa estratégia bacteriana evoluiu”, explicou ele. “É difícil saber se algo aconteceu antes da divisão entre os coanoflagelados e os animais, ou depois”.

“Eu acho que há evidências suficientes para nos permitir supor que as bactérias foram uma importante influência sobre as origens dos animais — elas eram abundantes, diversas e exercem importantes influências sinalizadoras em diversas linhagens animais, bem como em não-animais”, disse King. “Mas acho que é prematuro dizer qual foi a natureza dessa influência”.

Um forte indício de que as bactérias podem ter levado àquela transição antiga para a multicelularidade é que muitos dos animais mais simples de hoje são governados por mensagens microbianas. Corais, algas marinhas, esponjas e vermes tubulares¹¹ começam a vida como larvas flutuando na água, e outras equipes de pesquisa mostraram que eles também respondem a compostos liberados por bactérias como sinais para se fixarem a rochas ou outras superfícies e passarem para um novo formato de vida. Se esse tipo de relacionamento é tão comum entre os animais das famílias mais antigas, parece plausível que os primeiros animais estivessem igualmente sintonizados com seus vizinhos bacterianos. Descobrir como exatamente as bactérias desencadeiam essa resposta ajudará a esclarecer se elas desempenharam um papel semelhante há muito tempo. “Foi um pensamento radical para mim quando começamos a estudá-las, e agora eu não sei por que é uma surpresa”, disse King. “Quanto mais eu penso em interações entre hospedeiros e micróbios, menos me surpreendo.”

A biologia dos coanoflagelados se assemelha à dos animais de outras formas inesperadas, descobriu King. Em 2008, ela liderou a equipe que publicou o genoma¹² da Monosiga brevicollis, um coanoflagelado que não forma colônias. A sequência revelou genes responsáveis por dezenas de seções de proteínas que também aparecem em animais multicelulares, onde ajudam as células a se unirem e também guiam o desenvolvimento e a diferenciação. O que esses genes estão fazendo em um ser unicelular? O trabalho de King sugere que eles surgiram em organismos unicelulares para monitorar as condições ambientais e reconhecer outras células, como presas bacterianas. Em animais multicelulares, os domínios genéticos encontraram novos propósitos, como permitir que as células sinalizem umas às outras. Células individuais usavam essas ferramentas para ouvir o ambiente. Mais tarde, as primeiras células a adotar um estilo de vida multicelular provavelmente reaproveitaram os mesmos sistemas para prestar atenção às suas células irmãs, sugeriu King.

Por que os animais demoraram tanto?

O que desencadeou a explosão da vida multicelular complexa¹³ no período cambriano? O aumento da taxa de oxigênio, sem dúvida, teve algo a ver com isso — antes do período de 800 milhões de anos atrás, os níveis de oxigênio atmosférico eram muito baixos para permitir a fácil difusão de organismos com múltiplas camadas de células, limitando o tamanho das todas as formas de vida. Mas um aumento no oxigênio provavelmente não é a história toda, disse Andrew Knoll¹⁴, professor de ciências da terra e planetárias da Universidade de Harvard. Uma vez que os níveis de oxigênio subiram além desse nível baixo, a predação provavelmente forneceu um forte incentivo para que os animais ficassem maiores e mais complexos e desenvolvessem novos planos corporais. Foi uma corrida armamentista ecológica para tamanho e complexidade: predadores maiores têm uma vantagem em capturar presas, enquanto presas maiores podem mais facilmente evitar serem comidas. A necessidade de escapar ou repelir predadores também provavelmente inspirou as primeiras escamas, espinhas e armaduras corporais, bem como alguns dos planos de corpos mais selvagens vistos em fósseis cambrianos.

A descoberta de King sobre os coanoflagelados é apenas um dos mais recentes insights sobre as relações íntimas entre bactérias e animais (ou, neste caso, organismos semelhantes a animais). Historicamente, as bactérias fotossintéticas bombearam oxigênio para os oceanos por bilhões de anos, preparando o terreno para a vida multicelular complexa. E, de acordo com a teoria endossimbiótica¹⁵, proposta no século 20 e agora amplamente aceita, as mitocôndrias dentro de todas as células eucarióticas já foram bactérias livres. Em algum momento, mais de um bilhão de anos atrás, elas passaram a residir dentro de outras células em uma relação simbiótica que perdura em quase todas as células animais até hoje. Em seu papel como comida, as bactérias provavelmente também forneceram material genético bruto para os primeiros animais, que provavelmente incorporou pedaços de DNA microbiano diretamente em seus próprios genomas¹⁶ enquanto digeriam suas refeições.

Mas a história completa do relacionamento microbiano animal é ainda mais ampla e profunda, argumenta Margaret McFall-Ngai¹⁷, uma bióloga da Universidade de Wisconsin, em Madison, e é uma história que está apenas começando a ser contada. Em sua opinião, os animais devem ser considerados ecossistemas hospedeiros microbianos. Vários anos atrás, McFall-Ngai, juntamente com Hadfield, reuniu um amplo grupo de biólogos do desenvolvimento, ecologistas, biólogos ambientais e fisiologistas, incluindo King, e pediu-lhes que formulassem um manifesto microbiano — uma declaração da importância bacteriana. O artigo¹⁸, que foi publicado no final do ano passado no periódico Proceedings of National Academy of Sciences, cita evidências de muitos cantos da biologia para argumentar que a influência microbiana na origem, evolução e função dos animais é difundida e essencial para entender como a vida animal tem evoluído. “Eles evoluíram em um mundo saturado com bactérias”, disse Hadfield.

A amplitude e o significado da relação animal-bactéria vão muito além do desenvolvimento de um punhado de criaturas aquáticas antigas, como esponjas. A própria pesquisa de McFall-Ngai mostra que as bactérias são necessárias para o desenvolvimento de órgãos na lula; outros encontraram parcerias semelhantes que moldam a maturação dos sistemas imunológicos de animais, dos intestinos dos peixes-zebra e dos ratos, e até mesmo dos cérebros dos mamíferos¹⁹. Da mesma forma, as bactérias são parceiras essenciais nos sistemas digestivos de criaturas que variam de cupins a humanos. A influência dos micróbios está ainda inscrita em nosso genoma: mais de um terço dos genes humanos tem suas origens nas bactérias. Essas e outras novas descobertas em breve alterarão fundamentalmente nossa compreensão da vida, prevê McFall-Ngai. “A biologia está em revolução”.

Então, no final, talvez os animais não sejam tão especiais. Afinal, eles não seriam nada sem seus amigos microbianos. E, como a pesquisa de King revelou, muito do que os animais fazem que parece torná-los interessantes também pode ser realizado pelos coanoflagelados. Para ela, isso não diminui nem um nem outro. “Eu amo coanoflagelados”, disse ela. “Eles são tão fascinantes. Eu vejo que eles estão fazendo as mesmas coisas que os animais e eu posso ver paralelos entre a biologia deles e a biologia celular dos animais. Eu poderia assisti-los por horas”.

Corrigido em 29 de julho de 2014: Uma versão anterior deste artigo afirmava incorretamente que “Os animais jamais vieram a existir antes de 700.000 ou 800.000 anos atrás”. O número correto é 700 a 800 milhões de anos atrás.

Este artigo foi republicado no Wired.com.

Referências:

1. MCGOWAN, K. Where Animals Come From. Quanta Magazine (2014). Disponível em <https://www.quantamagazine.org/did-bacteria-drive-the-origins-of-animals-20140729/> Acesso em 31/03/2018;
2. A explosão Cambriana. IB/USP. Disponível em <http://www.ib.usp.br/evosite/evo101/VIIB1cCambrian.shtml> Acesso em 31/03/2018;
3. CIFAR, Nikole King profile. Disponível em <https://www.cifar.ca/profiles/nicole-king/>;
4. A. Alegado, N. King, “Bacterial influences on animal origins,” Cold Spring Harbor Perspectives in Biology, vol. 6, no. 11, pp. a016162, 3 de outubro de 2014. doi: 10.1101/cshperspect.a016162;
5. UH Manoa. Michael G. Hadfield profile. Department of Biology. Diponível em <http://manoa.hawaii.edu/biology/people/michael-hadfield>;
6. SEBÉ-PEDRÓS, A. Regulated aggregative multicellularity in a close unicellular relative of metazoan. eLife, 2013. doi: 7554/eLife.01287;
7. Cell differentiation and morphogenesis in the colony-forming choanoflagellate Salpingoeca rosetta Developmental Biology, Volume 357, Issue 1, 1 September 2011, Pages 73-82. https://doi.org/10.1016/j.ydbio.2011.06.003;
8. ALEGADO, R A et al. A bacterial sulfonolipid triggers multicellular development in the closest living relatives of animals. eLife, 2012; 1: e00013. Published online 2012 Oct 15. doi:  7554/eLife.00013 Disponível em <https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3463246/>;
9. Dianne K. Newman <http://www.bbe.caltech.edu/content/dianne-k-newman>;
10. William Ratcliff. Biólogo no Georgia Institute of Technology, em Atlanta. <http://www.ratclifflab.biology.gatech.edu/>;
11. SHIKUMA, N J et al. Marine Tubeworm Metamorphosis Induced by Arrays of Bacterial Phage Tail–Like Structures. Science, 2014, Vol. 343, Issue 6170, pp. 529-533
    DOI: 10.1126/science.1246794;
12. KING, N et al. The genome of the choanoflagellate Monosiga brevicollis and the origin of metazoans. 2008, Feb 14; 451(7180):783-8. DOI: 10.1038/nature06617;
13. BYRNE, Peter. Early Life in Death Valley. Quanta Magazine, 2014. <https://www.quantamagazine.org/ancient-fossils-suggest-complex-life-evolved-on-land-20140424>;
14. KNOLL, Andrew H. The Knoll Group: Paleontology and Geobiology at Harvard. Disponível em: <https://sites.fas.harvard.edu/~knollgrp/>;
15. Endosymbiosis: Lynn Margulis. Berkeley University. <https://evolution.berkeley.edu/evolibrary/article/history_24>
16. RICHTER, D J; KING, N. The Genomic and Cellular Foundations of Animal Origins. Annual Review of Genetics, 2013, vol. 47:509-537. https://doi.org/10.1146/annurev-genet-111212-133456;
17. Margaret McFall-Ngai e Edward (Ned) Ruby. Squid Vibrio Labs. <<labs.medmicro.wisc.edu/mcfall-ngai/>>;
18. MCFALL-NGAI, M et al. Animals in a bacterial world, a new imperative for the life sciences. PNAS, 2013. https://doi.org/10.1073/pnas.1218525110;
19. HEIJTZ, R D. Normal gut microbiota modulates brain development and behavior. PNAS, 2011. https://doi.org/10.1073/pnas.1010529108.