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Plantas & Animais

A evolução é mais lenta do que parece e mais rápida do que você pensa

Crédito: Skip Sterling / Quanta Magazine

Texto adaptado da Quanta Magazine e do Wired

De Carrie Arnold

 

Examine a evolução ao longo de anos ou séculos, e você verá que ela progride muito mais rapidamente do que faz ao longo do tempo geológico. Agora, os vírus mais antigos do planeta estão permitindo que os cientistas calibrem esse relógio evolutivo.

 

Na década de 1950, o biólogo finlandês Björn Kurtén notou algo incomum nos cavalos fossilizados que estudava. Quando ele comparou as formas dos ossos de espécies separadas por apenas algumas gerações, ele pode detectar muitas mudanças pequenas, mas significativas. As espécies de cavalo separadas por milhões de anos, no entanto, mostraram muito menos diferenças na sua morfologia. Estudos subsequentes durante o próximo meio século encontraram efeitos semelhantes — os organismos pareciam evoluir mais rapidamente quando os biólogos os seguiam em escalas de tempo mais curtas.

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Então, em meados dos anos 2000, Simon Ho, um biólogo evolucionário da Universidade de Sydney, encontrou um fenômeno semelhante nos genomas que ele estava analisando. Quando calculou quão rapidamente as mutações do DNA se acumulavam em aves e primatas em apenas alguns milhares de anos, Ho encontrou os genomas cheios de pequenas mutações. Isso indicava um relógio evolutivo em ritmo acelerado. Mas quando ele diminuiu o zoom e comparou sequências de DNA separadas por milhões de anos, ele encontrou algo muito diferente. O relógio evolucionário tinha desacelerado.

Confuso pelos resultados, Ho começou a trabalhar tentando descobrir o que estava acontecendo. Ele tropeçou com o trabalho de 1959 de Kurtén e percebeu que as diferenças nas taxas de mudança física que Kurtén observou também apareceram em sequências genéticas.

Seus instintos de biólogo evolucionista lhe disseram que as taxas de mutação que ele estava vendo no curto prazo estavam corretas. Os genomas variavam em apenas alguns locais, e cada mudança era tão óbvia quanto um toque de tinta em uma parede branca.

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Mas se mais respingos de tinta vão aparecendo em uma parede, eles vão escondendo gradualmente algumas das cores originais sob as novas camadas. Da mesma forma, a evolução e a seleção natural escrevem sobre as mutações iniciais que aparecem em curtas escalas de tempo. Ao longo de milhões de anos, um “A” no DNA pode se tornar um “T”, mas no decurso do processo pode ser um “C” ou um “G” por um tempo. Ho acredita que essa saturação mutacional é uma das principais causas do que ele chama de fenômeno da taxa dependente do tempo.

“Pense nisso como no mercado de ações”, disse ele. Olhe para as flutuações horárias ou diárias do índice Standard & Poor’s 500, e ele aparecerá selvagemente instável, balançando pra cima e baixo. Diminua o zoom, no entanto, e o mercado parece muito mais estável que os turnos diários que começam a sair fora da média. Da mesma forma, as forças da seleção natural eliminam as mutações menos vantajosas e mais deletérias ao longo do tempo.

Simon Ho, o biólogo evolucionista da Universidade de Sidney que descobriu que a evolução ocorre em diferentes taxas. Crédito: Universidade de Sydney

Simon Ho, o biólogo evolucionista da Universidade de Sidney que descobriu que a evolução ocorre em diferentes taxas. Crédito: Universidade de Sydney.

A descoberta de Ho do fenômeno de taxa dependência do tempo no genoma teve maiores implicações para os biólogos. Isso significa que muitas das datas que eles usavam como marcadores ao ler a saga da vida — tudo, desde a primeira divisão entre eucariotas e procariotas há bilhões de anos atrás até o ressurgimento do vírus Ebola em 2014 — poderiam estar erradas. “Quando este trabalho saiu, todos pensaram: ‘Oh. Oh, nossa!’”, disse Rob Lanfear, biólogo evolucionista da Universidade Nacional Australiana de Camberra.

O fenômeno da taxa dependente do tempo não foi totalmente apreciado no início. Por um lado, é um conceito tão amplo e, por isso, os biólogos precisavam de tempo para que suas cabeças se apropriassem dele. Mas há um obstáculo ainda maior: o conceito tem sido quase impossível de usar. Os biólogos não foram capazes de quantificar exatamente o quanto eles deveriam mudar suas estimativas de quando as coisas aconteceram ao longo da história evolutiva. Sem uma maneira concreta de calcular as mudanças nas taxas evolutivas ao longo do tempo, os cientistas não conseguiriam comparar as datas.

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Recentemente, Aris Katzourakis, paleovirologista da Universidade de Oxford, tomou o fenômeno da taxa de dependência do tempo e o aplicou à evolução dos vírus. Ao fazer isso, ele não só recuou a origem de certas classes de retrovírus a cerca de meio bilhão de anos — muito antes de os primeiros animais terem se movido dos mares para a terra firme —, como ele também desenvolveu um modelo matemático que pode ser usado para explicar o fenômeno da taxa tempo-dependente, municiando aos biólogos com datas muito mais precisas para os eventos evolutivos.

Outros cientistas estão entusiasmados com essa perspectiva. “É como a teoria da relatividade de Einstein, mas para os vírus”, disse Sebastián Duchêne, biólogo computacional evolucionista da Universidade de Melbourne. O fenômeno da taxa tempo-dependência diz que a velocidade da evolução de um organismo dependerá do quadro temporal sobre o qual o observador o está olhando. E, como acontece com a relatividade, os pesquisadores agora podem calcular quanto é essa velocidade.

Caça de fósseis virais

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Katzourakis passou sua carreira tentando identificar a origem do HIV e outros chamados “retrovírus”, que são feitos de uma cadeia única de RNA.

Quando ele analisou as taxas de mutações do HIV, Katzourakis descobriu que o HIV está entre os vírus de evolução mais rápida já estudados. A rápida taxa de mutação faz sentido. As moléculas de cadeia dupla, como o DNA, têm revisores moleculares que muitas vezes podem corrigir erros cometidos durante a replicação, mas o HIV e outros vírus de cadeia simples de RNA não. Neles, erros de replicação se sobrepõem sobre outros erros de replicação.

Créditos: Lucy Reading-Ikkanda/Quanta Magazine

Créditos: Lucy Reading-Ikkanda/Quanta Magazine.

Devido a isso, os virologistas podem estudar diretamente apenas a história recente de vírus como esses. As amostras mais antigas atingiram a saturação de mutações, com tantos erros de ortografia acumulados que os cientistas não podem explicar todos. Levar a história de um retrovírus de volta a milhares ou milhões de anos exigiria uma maneira diferente de medir as taxas de mutação.

Katzourakis voltou-se para uma outra técnica. Ele procurou por algo semelhante aos fósseis virais dentro do DNA de seus hospedeiros. Os retrovírus inserem cópias de seu material genético nas células de seus hospedeiros, sendo que na maioria das vezes, a informação genética inserida morre com o hospedeiro. Em raras ocasiões, no entanto, um retrovírus tira a sorte grande evolutiva e cai para dentro do genoma de uma célula germinativa (os gametas). Se ajeitando firmemente no DNA do seu anfitrião, o DNA do vírus é, então, transmitido através das gerações.

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Por isso, o pesquisador usou a tese das relíquias virais para estudar a antiga origem dos retrovírus. Mas, ao fazer isso, ele recebeu uma grande surpresa. A taxa de evolução desses retrovírus durante longos períodos parecia desacelerar dramaticamente, quase igualando com a dos seres humanos e outros seres de vidas complexas — organismos que possuem “máquinas revisoras” e, portanto, mudam em um ritmo muito mais lento.

Se os vírus estavam evoluindo muito mais lentamente do que os cientistas estimavam anteriormente, isso poderia implicar que os vírus eram também muito mais velhos do que o esperado. Afinal, um vírus que evolui mais devagar vai precisar de um intervalo de tempo maior para evoluir e chegar ao mesmo ponto que um vírus de evolução mais rápida.

No passo seguinte, o pesquisador partiu para a busca de uma data precisa do surgimento dos retrovírus. Para fazer isso, ele se voltou para o grupo de retrovírus mais antigo, os chamados vírus espumosos, que infectam tudo, desde macacos a vacas. Essa promiscuidade desse grupo de vírus permitiu a Katzourakis calibrar com maior precisão o seu relógio evolucionário para determinar quando os vírus espumosos surgiram. Se duas espécies compartilham uma mesma sequência de DNA de vírus espumoso, o vírus deve ter infectado um antepassado comum das duas espécies, antes de elas divergirem.

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“Esse método nos dá um jeito de datar nas profundezas da história evolucionária sequências independentes entre si”, diz Katzourakis.

Pesquisadores em laboratórios de todo o mundo lentamente foram retroagindo a data de origem dos vírus espumosos até chegarem há 100 milhões de anos. Mas Katzourakis encontrou indícios de que o vírus infectou répteis, anfíbios e até peixes há mais de 100 milhões de anos. Para mostrar conclusivamente que esses retrovírus são mais velhos do que a data aceita de 100 milhões de anos, no entanto, Katzourakis precisaria de datar o vírus em si.

Ele mergulhou nas pesquisas de Ho sobre o fenômeno da taxa dependente do tempo, na esperança de descobrir como aplicaria tal taxa aos vírus. Ele também queria criar um modelo geral que permitisse aos pesquisadores inserir a escala de tempo que estavam observando e obter detalhes sobre a taxa evolutiva de um organismo.

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Katzourakis e seu aluno Pakorn Aiewsakun tentaram quatro maneiras diferentes de quantificar quão rapidamente a taxa evolutiva parecia mudar com base em uma escala de tempo. Eles descobriram que um modelo com uma potente lei de decaimento se ajusta melhor os seus dados e mostrou que as taxas evolutivas diminuem exponencialmente conforme a escala aumenta. Um estudo subsequente de 396 vírus diferentes revelou que a T diminui na mesma taxa em quase todos os tipos de genoma e estratégias de replicação. Os relógios evolucionários existentes, que não explicam o fenômeno da taxa dependente do tempo, datam imprecisamente os vírus antigos como sendo muito mais jovens do que realmente são.

Katzourakis e Aiewsakun usaram então um sistema matemático recentemente desenvolvido para recalcular o surgimento de vírus espumosos. Usando esse modelo, a dupla de cientistas mostrou, em um artigo publicado em janeiro, que os vírus espumosos emergiram em algum lugar entre 460 e 550 milhões de anos atrás. O trabalho independente de um virologista da Universidade do Arizona Michael Worobey, publicado no periódico Virus Evolution quase simultaneamente, também sugeriu que esses vírus se originaram antes do que o esperado. Estes estudos estabeleceram uma data mais antiga para qualquer grupo conhecido de vírus, embora Katzourakis acredite que outros grupos virais possam ser ainda mais antigos.

Os resultados têm implicações muito além da obtenção de um troféu para o vírus mais antigo do mundo. Uma convergência na mesma data de origem para os vírus espumosos fornece evidências de que o fenômeno da taxa dependente do tempo não é apenas uma relíquia de estatísticas ou os métodos que os pesquisadores usaram para datar as espécies. O modelo de Katzourakis também oferece aos pesquisadores uma ferramenta para quantificar os efeitos do fenômeno da taxa dependente do tempo, o que será fundamental para entender os fatores que impulsionam esse fenômeno.

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Em termos mais gerais, o trabalho de Katzourakis e Ho desafia a ideia de um relógio evolucionário em ritmo constante. “Isso muda a maneira como concebemos a evolução molecular”, disse Duchêne. “Isso mostra que não há taxa universal para a evolução. Até organismos iguais possuem taxas que variam ao longo do tempo.”

Isso também significa que os cientistas podem precisar revisar as datas dos eventos evolutivos no passado mais distante, visto que os cientistas provavelmente subestimaram quando esses eventos realmente aconteceram, disse Katzourakis. Ele está tentando entender se o desbaste de mutações por seleção natural e de saturação mutacional são os únicos contribuintes para o fenômeno da taxa dependente do tempo, ou se outros fatores desempenham um papel em como e o porquê de o fenômeno surgir.

“É uma limitação de nossas ferramentas ou há algo que nós negligenciamos? Se pudermos entender esse processo, isso nos dará algumas boas ideias evolucionárias”, disse Katzourakis.

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Matéria original publicada na edição impressa na revista Quanta Magazine, uma publicação editorialmente independente da Simons Foundation, cuja missão é aumentar a compreensão pública sobre a ciência, cobrindo os desenvolvimentos de pesquisas e as tendências em matemática e ciências físicas e da vida.

Tradução: Sociedade Científica.

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Mestrando em Estudos Ambientais pela UCES, Buenos Aires. Graduado em Engenharia Civil e pós-graduado em Gestão Pública e Controladoria Governamental. Com interesse por ciência, tecnologia, filosofia, desenvolvimento sustentável e diversas outras áreas do conhecimento humano.

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