Como surgem os animais: alteração nas estruturas repetidas e variantes homeóticas

Anna Carolina Russo C. Martin
anna.russocm@gmail.com

Antes de estudarmos a fundo os genes responsáveis pelo desenvolvimento de um animal, precisamos compreender como se dá seu desenvolvimento morfológico para que, desta forma, possamos procurar em seu material genético os genes responsáveis por expressar aquelas determinadas variações morfológicas. Podemos começar, então, observando a morfologia externa de um animal.

Uma formiga possui segmentos em seu corpo que podem ser descritos como partes semelhantes que se repetem ao longo de seu corpo. Seus segmentos seguem um mesmo padrão morfológico, porém se diferenciam em algumas partes dependendo de sua função, por exemplo, em um segmento temos a expressão de antenas e em outro a de apêndices locomotores (as chamadas pernas). Essas estruturas repetidas e de arquitetura modular (partes semelhantes) são muito encontradas entre os Metazoa, desde os primeiros registros fósseis dos organismos com simetria Bilateral. Um exemplo é a modularidade dos membros dos vertebrados com quatro patas, uma condição originada no ancestral comum dos tetrápodes.

Qualquer estrutura originária de uma mesma série repetida que sofreu diversas modificações e diferenciações é conhecida como homologia serial. Como exemplo, em alguns achados fósseis são encontradas estruturas repetidas, como os dentes, que, ao longo da evolução, modificaram-se, sendo selecionado um padrão da maquinaria dentária específica para cada hábito alimentar (como a presença de caninos em animais carnívoros). Temos que tomar cuidado para não confundirmos homologia serial com homologia no sentido de estrutura que surge no ancestral comum e se modifica a partir dele, estando presente nos seus descendentes. O termo homologia ainda não tem um consenso em sua definição, porém sabe-se que ela é a base da biologia comparada. Uma definição breve sobre homologia seria que ela se refere à comparação entre dois caracteres presentes em dois táxons distintos que foram originados de um mesmo ancestral. Esse tipo de comparação facilita o entendimento da evolução e é base da análise filogenética.

A observação das homologias seriais ao longo da evolução é muito importante para entendermos como se expressa a morfologia. Sabemos que a modularidade, simetria e polaridade são características básicas para a formação de um animal, portanto, uma vez conhecida as suas características morfológicas básicas, podemos procurar onde elas se originam e qual sua base de formação (que deve ser igual para todos, o DNA).

Podemos começar entendendo alguns experimentos que foram feitos por biólogos que tentavam descobrir algumas regras de formação dos animais através de cortes e mesclas de partes diferentes do embrião em diferentes fases de formação.

Um desses experimentos, em especial, foi o de Hans Spemann ver Carroll, páginas 45 e 46). Ele usou um fio de cabelo de bebê para separar as metades do embrião na fase de gástrula (quando aparece o primeiro orifício do embrião, o blastóporo) de uma salamandra. Essas metades geraram girinos de salamandras normais. Em um segundo experimento, ele cortou novamente o embrião em duas partes, mas desta vez enlaçando-o perpendicularmente, o que gerou um girino e uma massa amorfa de células. Spemann chegou a conclusão de que o lábio dorsal do blastóporo era muito importante para o desenvolvimento embrionário. Com essa conclusão ele realizou um terceiro experimento no qual retirou o lábio dorsal do blastóporo de um embrião e colocou em outro blastóporo de outro, o que gerou um girino de salamandra com duas cabeças.

Bateson, um colecionador dessas anomalias, organizou, catalogou e descreveu inúmeros animais mutantes no tratado “Material for the study of variation”, de 1894. Ele classificou essas anormalidades em dois tipos básicos:

1º Número de partes repetidas alterado;

2º Uma parte do corpo assumira a parte de outra (originando as chamadas variantes homeóticas).

Essas mutações da segunda classificação são muito curiosas por se tratarem de alterações em genes isolados. Isso não significa, porém, que um organismo que sofreu tal mutação necessariamente originará uma nova espécie, uma vez que a seleção natural poderá impedir a transmissão de seus caracteres pelo fato dos organismos modificados serem, geralmente, inaptos à vida. Porém, isso não significa que esse tipo de mutações não possa gerar novas morfologias em um único salto evolutivo.

Com o estudo em drosófilas, descobriu-se que um pequeno número de genes homeóticos gera diferentes formas quando mutado. Isso indica que alguns poucos genes chamados de genes mestres “gerenciam” a diferenciação dessas partes do copo que são homólogas seriais, ou seja, originário de uma mesma série repetitiva que se diferenciou.

Uma vez entendido o funcionamento do surgimento de novas estruturas, temos que nos aprofundar no funcionamento desses genes mestres. Para isso, é preciso uma maior compreensão do DNA e do funcionamento dos genes, partindo da compreensão de suas estruturas nos diferentes animais.

Bibliografia:

CARROLL, S.B. 2006. Infinitas Formas de Grande Beleza: Como a evolução forjou a grande quantidade de criaturas que habitam nosso planeta. 1ª. ed. Rio de Janeiro: Jorge Zahar Editor, 09 – 55 p.
SANTOS, C.M.D. 2008. Os dinossauros de Hennig: sobre a importância do monofiletismo para a sistemática biológica. Scientiae Studia, 6: 179-200.
Santos, C.M.D., & Calor, A.R. (2008). Using the logical basis of phylogenetic as the framework for teaching biology Papeis Avulsos de Zoologia, 48 (18), 199-211

Referências figuras:

Richard C. Brusca, Gary J. Brusca, Invertebrates, 100
http://www.nature.com/nrm/journal/v7/n4/fig_tab/nrm1855_F1.html

Sobre evolução, genes e desenvolvimento

por Anna Carolina Russo
Universidade Federal do ABC
e-mail: annacarolinarcm@gmail.com

Resumo
Durante a história da ciência, o conceito de evolução foi se modificando gradualmente. O texto discorrerá brevemente sobre tais modificações desde seu ponto de partida, com Lamarck, passando por Darwin, principal nome do evolucionismo, até chegar às teorias atuais que unem embriologia, desenvolvimento e paleontologia.
Palavras-chave: Darwin, evo-devo, evolução, ontogenia, genes.

Ao longo da história o conceito de evolução foi se modificando gradativamente. Um dos primeiros a discutir sobre o assunto foi o francês Jean-Baptiste de Lamarck, que lançou sua teoria da evolução no auge do Iluminismo na Europa. Em sua teoria estava descrito que os animais modificavam partes de seu corpo através do uso contínuo. Quanto mais se utilizava determinado órgão, mais ele se desenvolvia. Essa nova característica seria passada, a partir de então, para seus descendentes. Essa visão de Lamarck sobre as espécies foi de extrema importância ao propor uma perspectiva alternativa às visões criacionistas que estavam estagnadas, porque, apesar de Lamarck também ser um criacionista, via a possibilidade de mudanças nas espécies. O estudo das alterações entre as espécies antes não era feito pelos naturistas, mais preocupados somente em classificá-las.

Em meados do século XIX, Darwin e Wallace surgiram com a teoria da evolução, a qual diz que essas mudanças nas espécies não surgem pelo uso e desuso de órgãos, mas sim naturalmente, perpetuando-se através da seleção natural. A seleção natural é uma condição imposta pelo meio, submetendo as espécies a um processo de “filtragem” no qual os organismos mais aptos sobrevivem e podem passar suas características aos seus descendentes. Mais tarde, com o conhecimento da biologia molecular a partir de 1930, os cientistas puderam corroborar essa teoria, complementando que as características eram mantidas nos descendentes através da passagem de seu material genético, e que as modificações surgiam a partir de mutações e recombinações desse material genético.

Hoje se sabe que esse material pode ser passado de duas maneiras: uma na qual ele é transmitido do ancestral comum para seus descendentes no sentido genealógico (evolução vertical), como pode ser visto na árvore da vida esboçada por Darwin em seu livro “A Origem das Espécies”, em 1859; e outra em que pode acontecer a migração de parte do material genético entre indivíduos que se localizam em uma mesma “fatia” de tempo, como ocorre entre as bactérias na base da árvore da vida, de forma horizontal, ou seja, no mesmo período cronológico (transferência horizontal).

Nesse sentido, evolução corresponde às modificações de uma população ao longo da história, tendo sempre em visita um ancestral comum e seus descendentes.

Como já foi dito, o salto da evolução para seu grande reconhecimento como teoria que explica o mundo vivo deu-se com o aparecimento da biologia molecular, que teve seu início com a descoberta do DNA por Watson e Crick. Desta forma, a ciência conseguiu fundamentar as teorias de Darwin e Wallace, pois antes não sabia como aparecia a diversidade das espécies. Como poderiam existir espécies de pássaros com bico mais alongado e outras com bico mais curto? Com essa descoberta da estrutura do DNA e do gene pode-se afirmar que essas modificações aconteciam ao longo do tempo através de mutações genéticas que causassem modificações fenotípicas viáveis para vida. Hoje se sabe que essas mudanças muitas vezes não são no filamento de DNA em si, mas sim nos fatores de transcrição expressos por determinados genes, que servirão de “interruptor” para dizer qual parte do filamento será transcrito. Mudanças nesses fatores de transcrição podem causar mudanças no fenótipo das espécies, o que levará a variedade entre as populações descrita por Darwin.

Algumas vezes essas mudanças genéticas podem afetar o desenvolvimento de certas espécies, quando, por exemplo, atingem genes homeóticos. Estes tipos de genes estão interligados com outros genes responsáveis pela codificação de expressões fenotípicas de um animal tais como a segmentação e o aparecimento de apêndices locomotores. Dessa forma, uma mutação em um gene homeótico pode levar a mudança de seu fenótipo, que, por sua vez, pode ter conseqüências na expressão de outros genes que não sofreram a mutação.

O desenvolvimento de um indivíduo, ou ontogenia, se dá através das alterações morfológicas que ele sofre durante sua vida. Podemos citar a ontogenia de uma borboleta, que começa com a fusão de gametas formando um zigoto, que formará um embrião, passando por sucessivos estágios de larva que se tornará uma pupa até se transformar em um adulto. Uma mutação em um gene que altere algum estágio desse desenvolvimento poderá levar a grandes mudanças em seu estágio final. Dependendo do grau dessa alteração, o organismo pode tornar-se inviável à vida (nesse contexto devemos entender as restrições de desenvolvimento).


Restrição de desenvolvimento acontece quando há uma mutação que não é viável à vida. Isso acontece porque o gene mutado provavelmente tinha ligação com outros genes, influenciando a expressão dos mesmos. Por exemplo, em um inseto, se um gene homeótico “A” que expressa apêndices torácicos, asas e segmentação sofrer uma mutação, levando à expressão de quatro ao invés de três pares de apêndices locomotores. Provavelmente essa mutação alterará a expressão das outras características que também relacionadas ao mesmo gene, tornando o organismo inviável à vida. Isso porque o fator de transcrição que daria início à codificação de determinado gene, também serviria de “interruptor” para os genes que transcrevem a antena, asas e segmentação. A modificação de um gene pode alterar a expressão de uma série de características.

A análise do desenvolvimento nos permite compreender a evolução das espécies por outra perspectiva, isso porque a biodiversidade decorre em grande parte por mudanças em genes que afetarão seu desenvolvimento. O estudo dessa frente da biologia é conhecida como “evo-devo”, ou biologia evolutiva do desenvolvimento, que segundo o evolucionista Sean B. Carroll “possibilitam grandes revelações sobre os genes invisíveis e algumas regras simples que moldam a forma e a evolução animal”.

Referências bibliográficas
- Carroll, S.B. Infinitas formas de grande beleza: como a evolução forjou a grande quantidade de criaturas que habitam o nosso planeta. Editora Jorge Zahar, 2005.
- El-Hani, C. N., Meyer, D. A evolução da teoria Darwiniana. Scientific American Brasil Especial - Especial História da evolução, 2007.
- Motoyama, S. O nascimento da evolução biológica. Scientific American Brasil Especial - Especial História da evolução, p 45 – 53, 2007.