Como formas tão diversas evoluem na natureza? A biologia do desenvolvimento e a biodiversidade

A incrível diversidade de formas de vida que se observa na natureza costuma nos impressionar desde muito cedo. Durante a infância, gostamos de ir ao zoológico, visitar aquários, assistir programas sobre a vida selvagem e colecionar figurinhas de animais extintos ou perigosos. Aprendemos que tanto insetos (como os mosquitos e besouros) quanto aves (por exemplo, águias e beija-flores) são capazes de voar. Conhecemos diferentes animais aquáticos que se movem usando nadadeiras, como peixes e baleias, enquanto outros utilizam jatos de água, como lulas e polvos. Longe de ser interessante somente para as crianças, a biodiversidade é um assunto cada vez mais recorrente nos noticiários e encontros internacionais que discutem políticas de proteção ao meio ambiente. Enquanto nos surpreendemos com a diversidade existente e nos preocupamos em como preservá-la, certamente nos perguntamos: afinal, como ela se originou?

Nos últimos 150 anos, ocorreram duas importantes ‘revoluções’ na biologia que contribuíram muito para nosso entendimento sobre a origem da diversidade de formas. A primeira delas, a teoria da evolução, foi sintetizada por Charles Darwin, e sugere que a diversidade biológica resulta da ação da seleção natural, dada pela pressão do meio ao longo de milhões de anos sobre determinadas características das espécies, a qual pode alterar a freqüência de indivíduos que apresentam um dado perfil em um ambiente com condições específicas. A segunda revolução que ocorreu na biologia foi o surgimento da genética, uma área que investiga como as informações que caracterizam um organismo residem em seu conteúdo genético, especificamente em moléculas de ADN (ou DNA, em inglês), e são transmitidas de uma geração para a outra. Se as idéias que surgiram com essas duas revoluções forem combinadas, temos que a origem de novas formas na natureza poderia ocorrer a partir de mudanças ou alterações no material genético dos organismos herdadas pelos seus descendentes, tornando-se cada vez mais comuns nas próximas gerações por meio do processo de seleção natural. Por exemplo, digamos que em uma população de tartarugas marinhas de um certo ambiente são encontradas duas formas de nadadeiras: larga e estreita. Pelo que sabemos com base na genética, alguns genes relacionados com as proporções das nadadeiras seriam diferentes entre esses dois tipos de tartaruga. Suponhamos ainda que as tartarugas com nadadeiras largas consigam nadar mais rapidamente do que as que possuem nadadeiras estreitas. Sendo assim, se ocorresse um aumento na quantidade de predadores nesse ambiente, as tartarugas com nadadeiras largas poderiam escapar com mais eficiência, teriam maior taxa de sobrevivência com relação à predação, e deixariam um número maior de descendentes na população (mecanismo de seleção natural), os quais conteriam os genes relacionados com essa forma mais larga das nadadeiras. Após várias gerações, a porcentagem de tartarugas com nadadeiras largas seria muito maior do que era antes do aumento na quantidade de predadores no ambiente.

O exemplo acima ilustra como a combinação das idéias de Darwin sobre a seleção natural com os princípios de genética fornecem explicações para os mecanismos pelos quais a evolução ocorre. Porém, podemos nos perguntar: em que momento ocorrem as mudanças na forma de um organismo? Quando uma tartaruguinha sai do ovo, nós a reconhecemos como tartaruga: ela já tem nadadeiras, cauda e, é claro, o casco arredondado que é tão típico desses animais (Figura 1C). Por outro lado, sabemos que cada indivíduo origina-se a partir de uma só célula formada no momento da fecundação, isto é, no momento em que um óvulo e um espermatozóide se fundem. Essa célula sofre inúmeras divisões, gerando grupos de células que se diferenciam ao longo do desenvolvimento e formam os vários tecidos e órgãos dos embriões. A diferenciação celular que culminará nas diversas estruturas presentes no animal quando ele nasce ocorre por meio da expressão de diversos genes durante o desenvolvimento do embrião, que são chamados de genes de desenvolvimento. Então, a partir de quando será que conseguimos identificar um embrião como sendo o de uma tartaruga? Quando olhamos apenas para um conjunto de células embrionárias, elas ainda não têm a forma de uma tartaruga. Se observarmos o mesmo embrião em etapas mais tardias do desenvolvimento, já conseguiremos identificar algumas estruturas se formando, como cabeça, cauda, membros… Mas talvez ainda não seja possível dizer: ‘isso vai virar uma tartaruga!’ (por exemplo, veja a Figura 1A e 1B). Entretanto, a partir de um dado momento (Figura 1C), o embrião já adquire uma forma muito parecida com a da tartaruga, mesmo que ainda não tenha saído do ovo.

Comparação entre diferentes etapas (A, B e C) do desenvolvimento embrionário de tartaruga, galinha, porco, vaca, coelho e humano. Adaptado de Richardson et. al. (1997. Anat. Embryol. 196)

Comparação entre diferentes etapas (A, B e C) do desenvolvimento embrionário de tartaruga, galinha, porco, vaca, coelho e humano. Adaptado de Richardson et. al. (1997. Anat. Embryol. 196)

Um aspecto muito interessante desse exemplo é que, se acompanharmos o desenvolvimento de outros animais vertebrados (como galinhas, porcos ou humanos), identificaremos o mesmo padrão: até um determinado momento, não conseguimos saber que tipo de organismo nascerá quando o desenvolvimento estiver completo, mas em estágios mais tardios do desenvolvimento, o embrião de cada espécie passa a apresentar uma forma cada vez mais parecida com a que é característica daquele animal. Existe um estágio no desenvolvimento embrionário em que a forma corporal de praticamente todos os animais vertebrados é semelhante – esse estágio é denominado estágio filotípico (Figura 2). Muitas das diferenças que identificamos entre as várias espécies de animais (por exemplo, ausência de patas em cobras, presença de penas e bicos em aves, ou a existência de asas em morcegos) provavelmente decorrem de mudanças durante a evolução destes organismos que ocorreram em genes expressos durante essa janela de desenvolvimento embrionário que vai do estágio filotípico até o nascimento. Portanto, a forma ou presença de estruturas específicas no corpo de um animal têm clara associação com a informação contida em seu material genético, de maneira que organismos com novas formas corporais provavelmente surgiram a partir de alterações em genes expressos durante o desenvolvimento de estruturas específicas.

humano, porco, lagarto e galinha

Estágios filotípicos (ao centro) de quatro espécies de vertebrados: humano, porco, lagarto e galinha

Integrando evolução, genética e embriões

Recentemente, surgiu uma área na biologia que se dedica a estudar como se originam novas formas nos diferentes grupos de organismos a partir de alterações no seu desenvolvimento embrionário. A área de Evolução do Desenvolvimento, também chamada de Evo-Devo (do inglês Evolutionary Development), é uma disciplina que surgiu da integração entre as três grandes áreas da biologia que foram comentadas: a biologia do desenvolvimento, que estuda como os organismos se desenvolvem desde a fecundação até o nascimento (ou do nascimento até a idade adulta), a genética, que estuda genes e moléculas, e a evolução, que se refere a como as espécies evoluem ao longo de milhares de anos, desde a sua origem a partir de um ancestral comum. A Evo-Devo estuda a evolução de formas (por exemplo, o surgimento de novas morfologias durante a evolução dos grupos), com base em diferentes genes expressos durante o desenvolvimento do embrião. Essa abordagem é necessariamente comparativa, pois contrasta diversas espécies que compartilham um mesmo ancestral, e seu foco está nas relações entre genes e a morfologia de um organismo adulto.

Eixos relacionados na biologia evolutiva do desenvolvimento

Eixos relacionados na biologia evolutiva do desenvolvimento

O estudo da evolução de novas formas com base no desenvolvimento embrionário baseia-se primariamente na relação entre dois eixos básicos (Figura 3): um eixo temporal e um eixo espacial. O eixo temporal é composto por duas escalas, uma ontogenética, que se refere ao desenvolvimento durante a vida de um organismo, e outra filogenética ou evolutiva, que se refere ao acúmulo de mudanças ao longo de várias gerações durante a história evolutiva de uma espécie. O eixo espacial se refere, por exemplo, a possíveis mudanças na expressão de genes em diferentes regiões do corpo do embrião. Digamos, por exemplo, que um dado gene ‘A’ é expresso na região da cabeça do embrião de uma espécie de tartaruga 30 dias depois da fecundação. Se em uma espécie de jabuti, que compartilha o mesmo ancestral da tartaruga, esse gene ‘A’ é expresso na região da cabeça e também do pescoço quando ambos estão no mesmo estágio de desenvolvimento embrionário, dizemos que a diferença na expressão do gene entre as duas espécies ocorreu no eixo espacial (eixo horizontal da Figura 3). Agora vamos imaginar outro cenário: ao compararmos a expressão do gene ‘A ‘ na cabeça da tartaruga, a qual ocorre em torno de 30 dias após a fecundação, com a expressão desse mesmo gene em uma espécie de cágado (que também compartilha um ancestral comum com a tartaruga), observamos que a expressão no cágado ocorre na mesma região da tartaruga, mas apenas aos 50 dias após a fecundação, numa fase mais tardia do desenvolvimento. Nesse caso, quando comparamos essas duas espécies, dizemos que a diferença na expressão do gene ocorreu no eixo temporal de ontogenia (eixo vertical da Figura 3), pois ele é expresso mais tardiamente no desenvolvimento do cágado (50 dias), em relação à tartaruga (30 dias). E a outra escala no eixo temporal (escala evolutiva ou filogenética)? Considerando-se que as diferenças observadas entre as espécies provavelmente resultam do acúmulo de mudanças ao longo de várias gerações, o eixo temporal de evolução (ou filogenia) corresponde ao que ocorreu durante todo o tempo de evolução de cada espécie desde que essas divergiram do ancestral comum.

O futuro da Evo-Devo

A investigação de questões relacionadas à origem e evolução das diversas formas existentes na natureza é claramente beneficiada pela compreensão de como mecanismos de desenvolvimento embrionário relacionam-se com a morfologia de um organismo e como estes distinguem-se entre espécies que, embora pareçam tão diferentes, compartilham um ancestral comum. Por exemplo, lagartos e serpentes compartilharam um ancestral comum até um tempo relativamente curto (aproximadamente 100 milhões de anos atrás, o que parece pouco na escala evolutiva considerando-se que os vertebrados surgiram há cerca de 500 milhões de anos atrás, no final do Cambriano), mas possuem morfologias muito diferentes. As serpentes não possuem patas e têm o corpo muito alongado, em contraste com a maioria das espécies de lagartos, que possuem quatro patas (embora existam muitas espécies de lagartos que apresentam membros locomotores reduzidos ou ausentes). Curiosamente, genes de desenvolvimento que geralmente são expressos durante a formação dos membros em embriões de vertebrados possuem uma conformação muito particular nas serpentes, sugerindo que a evolução de formas corporais sem patas nos répteis ocorreu em associação com mudanças nos mecanismos de desenvolvimento embrionário, o que provavelmente envolveu diversos genes. Tal exemplo pode parecer muito específico, mas ilustra como a combinação da biologia do desenvolvimento com a evolução pode ser utilizada para investigar várias questões comuns a muitas áreas na biologia que têm relação direta com a existência de diversidade biológica. Como algumas estruturas se originaram ou desapareceram durante a evolução de uma espécie (por exemplo, como surgiram as flores)? Como apareceram novas morfologias ao longo da evolução (por exemplo, como existem formas tão singulares, como uma estrela-do-mar ou um cacto)? Como surgiram grupos de organismos tão diferentes como ouriços-do-mar, borboletas e lombrigas? Essas são algumas das várias perguntas relacionando ‘evolução e diversidade’ que a Evo-Devo, investigando o desenvolvimento embrionário dos organismos, pode ajudar a responder.

Mariana Grizante e Tiana Kohlsdorf, programa de pós-graduação em biologia comparada


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