Charles Darwin não tinha nem 30 anos quando já havia conseguido formar os fundamentos da teoria da evolução. Mas ele não revelou seu raciocínio ao mundo até completar 50 anos. Por duas décadas, ele reuniu metodicamente evidências de sua teoria e apresentou respostas a todos os contra-argumentos céticos que ele poderia imaginar. E o contra-argumento mais esperado era que um processo evolutivo gradual não pudesse levar ao surgimento de certas estruturas complexas.
Pegue o olho humano. Consiste em muitas partes - retina, lentes, músculos, geléia, etc. - e todos eles devem interagir para fornecer visão. Danifique uma parte e isso pode levar à cegueira. O olho funciona apenas se todas as suas partes tiverem o tamanho e a forma corretos para trabalhar em conjunto. Se Darwin estava certo, então o olho complexo evoluiu de antecessores mais simples. Em A origem das espécies, Darwin escreveu que essa idéia "parece, e admito abertamente, incrivelmente absurda".
Mas Darwin foi capaz de ver o caminho para a evolução da complexidade. Em cada geração, as propriedades dos indivíduos variavam. Algumas opções aumentaram sua sobrevivência e permitiram que eles deixassem mais filhos. Ao longo das gerações, essas vantagens se tornaram mais difundidas - ou seja, foram "selecionadas". Surgindo e se espalhando, novas variantes poderiam ser reproduzidas com a anatomia e gerar estruturas complexas.
Darwin argumentou que o olho humano poderia evoluir a partir de um simples pedaço de tecido que responde à luz, como os vermes chatos de hoje. A seleção natural pode transformar essa área em um recesso capaz de reconhecer a direção da luz. Então, uma propriedade adicional trabalharia ainda mais com o aprofundamento, adaptando o organismo às condições circundantes, e esse ancestral intermediário do olho seria transmitido para as gerações subsequentes. Passo a passo, a seleção natural levaria a um aumento de complexidade, uma vez que cada forma intermediária teria uma vantagem sobre a anterior.
O raciocínio de Darwin sobre a origem da complexidade encontrou apoio na biologia moderna. Hoje, os biólogos podem examinar o olho e outros órgãos em detalhes e, no nível molecular, encontrar proteínas extremamente complexas que se combinam para formar estruturas surpreendentemente semelhantes às correias transportadoras, motores e válvulas. Tais sistemas intrincados de proteínas podem vir de sistemas mais simples quando a seleção natural é favorável a variantes intermediárias.
Recentemente, porém, alguns cientistas e filósofos sugeriram que a complexidade pode aparecer de outras maneiras. Alguns argumentam que a vida tende a se tornar mais complexa ao longo do tempo. Outros sugerem que, no processo de ocorrência de mutações aleatórias, a complexidade é um efeito colateral, mesmo sem o auxílio da seleção natural. Eles dizem que a complexidade não é apenas o resultado de milhões de anos de aperfeiçoamento através da seleção natural, um processo que Richard Dawkins chamou de "relojoeiro cego". Pode-se dizer que isso simplesmente acontece.
Soma de peças mutáveis
Biólogos e filósofos ponderam a evolução de estruturas complexas há décadas, mas, de acordo com Daniel W. McShea, paleobiólogo da Universidade Duke, eles foram impedidos pela imprecisão das definições. “O problema não é apenas o fato de eles não saberem quantificar isso. Eles não sabem o que querem dizer com essa palavra ", diz Makshey.
Makshey trabalha nessa questão há vários anos com Robert N. Brandon, da Duke University. Makshey e Brandon sugerem prestar atenção não apenas ao número de partes que compõem os organismos, mas também aos tipos dessas partes. Nossos corpos são compostos de 10 trilhões de células. Se eles fossem todos do mesmo tipo, seríamos montes de protoplasma sem características. Em vez disso, temos células musculares, glóbulos vermelhos, células da pele, etc. Mesmo em um órgão, pode haver diferentes tipos de células. Existem 60 tipos diferentes de neurônios na retina, cada um dos quais executa sua tarefa. Essa abordagem nos permite dizer que as pessoas são singularmente mais complexas do que um animal como uma esponja, que possui apenas seis tipos de células.
Uma das vantagens dessa definição é a capacidade de medir a complexidade de várias maneiras. Em nossos esqueletos, existem diferentes tipos de ossos, cada um com uma certa forma. Até a coluna é composta por várias partes, desde as vértebras no pescoço que seguram a cabeça até as que sustentam o peito.
Em seu livro de 2010, a Primeira Lei da Biologia, Makshey e Brandon descreveram uma maneira pela qual estruturas complexas podem ser criadas e definidas dessa maneira. Eles argumentam que várias partes, mais ou menos semelhantes no início, devem começar a diferir ao longo do tempo. Quando os organismos se reproduzem, um ou mais de seus genes podem sofrer mutações. Às vezes, devido a mutações, novos tipos de peças aparecem. Se o corpo tiver mais componentes, eles terão a oportunidade de começar a diferir. Depois de copiar acidentalmente um gene, seu duplicado pode captar mutações que não estão no gene original. Assim, começando com um conjunto de partes idênticas, você pode ver como elas gradualmente começam a diferir cada vez mais uma da outra. Ou seja, a complexidade do corpo aumenta.
O aumento da complexidade pode ajudar o corpo a sobreviver melhor ou deixar mais filhos. Nesse caso, a seleção natural capta essa tendência e a espalha pela população. Por exemplo, em mamíferos, o olfato funciona ligando moléculas de odor a receptores nas terminações nervosas do nariz. Os genes receptores foram duplicados continuamente por milhões de anos. Novas cópias mudam e permitem que os mamíferos cheiram mais aromas. Animais que dependem de aromas, como ratos e cães, têm mais de 1000 genes para esses receptores. Por outro lado, a complexidade pode ser um fardo. Mutações podem, por exemplo, alterar o formato das vértebras, o que dificulta a rotação da cabeça. A seleção natural impedirá que essas mutações se espalhem pela população. Organismos nascidos com essas propriedades geralmente morrem antes da reprodução e, assim, removem propriedades nocivas da circulação. Nesses casos, a seleção natural trabalha contra a complexidade.
Diferentemente da teoria usual da evolução, a teoria de Maxey e Brandon mostra um aumento na complexidade, mesmo na ausência de seleção natural. Eles consideram isso uma lei fundamental da biologia - talvez a única. Eles a chamavam de lei da evolução da força zero.
Teste de Drosophila
Recentemente, Makshey e Leonore Fleming, um estudante de graduação da Universidade Duke, testaram a lei da evolução da força zero. Drosophila voa tornou-se assunto. Por mais de cem anos, os cientistas cultivaram bandos dessas moscas para uso em experimentos. Nas casas dos laboratórios, as moscas levam uma vida mimada, têm uma fonte constante de comida e um clima quente e uniforme. Seus parentes selvagens têm que lidar com a fome, predadores, frio e calor. A seleção natural intervém ativamente na vida das moscas selvagens, eliminando mutações que não lhes permitem lidar com suas muitas provações. Em um ambiente de laboratório protegido, a seleção natural é muito pouco manifestada.
As drosófilas de laboratório são mais complexas que as selvagens, porque até mutações mal sucedidas se propagam em um ambiente protegido. Esta mosca tem olhos em forma de retângulos,
moscas menos do que comuns.A lei da evolução da força zero fornece uma previsão clara: nos últimos cem anos, as moscas de laboratório sofreram eliminação mais fraca de mutações adversas e, portanto, deveriam ter se tornado mais complexas do que as selvagens.
Fleming e Makshey estudaram a literatura científica sobre 916 genealogias de moscas de laboratório. Eles conduziram muitas dimensões da complexidade de cada população. Eles relataram recentemente na revista Evolution & Development que as moscas de laboratório eram realmente mais difíceis do que as selvagens.
Embora alguns biólogos apóiem a lei da evolução da força zero, Douglas Erwin, um dos principais paleontólogos do Museu Nacional de História Natural Smithsonian, acredita que ele tem sérias falhas. "Uma de suas principais suposições não funciona", disse ele. Segundo a lei, a complexidade pode aumentar na ausência de seleção. Mas isso seria verdade apenas se os organismos pudessem existir fora da influência da seleção. Na vida real, mesmo que eles sejam tratados cegamente por cientistas que os adoram, a seleção ainda funciona. Para que um animal como uma mosca se desenvolva corretamente, centenas de genes devem interagir em um sistema complexo, transformando uma célula em muitas, cultivando vários órgãos, etc. Mutações podem atrapalhar essa coreografia e impedir o crescimento de moscas em adultos viáveis.
Um organismo pode existir sem seleção externa - sem o ambiente determinar quem ganhou e quem perdeu na corrida evolucionária - mas ainda passará por uma seleção interna que ocorre dentro dos organismos. Erwin acredita que, no novo trabalho, Maxey e Fleming não fornecem evidências de sua lei, porque "eles consideram apenas opções para adultos". Os pesquisadores não levam em conta os mutantes que morreram de deficiências no desenvolvimento antes de atingirem a maturidade, apesar da saída dos cientistas.
Alguns insetos têm pernas irregulares. Outros têm padrões complexos de asas. A forma dos segmentos de suas antenas está mudando. Livres da seleção natural, eles andavam em complexidade.
Outra objeção de Erwin e outros críticos - a opção de complexidade de Makshe e Brandon não é consistente com a forma como a maioria das pessoas a define. Afinal, o olho é determinado não apenas pela presença de várias partes. Essas partes, trabalhando juntas, realizam algum trabalho e cada uma delas tem sua própria tarefa. Mas Maxey e Brandon acreditam que a complexidade que estudam pode levar a outros tipos de complexidade. "A complexidade que observamos na população de Drosophila serve como base para fenômenos muito interessantes que a seleção pode impulsionar", para construir estruturas complexas que trabalham para garantir a sobrevivência, diz Makshey.
Complexidade molecular
Como paleobiólogo, Makshey é usado para refletir sobre a complexidade encontrada nos fósseis - por exemplo, os ossos que compõem o esqueleto. Nos últimos anos, vários biólogos moleculares começaram a especular independentemente sobre as causas da complexidade da mesma maneira que ele.
Nos anos 90, um grupo de biólogos canadenses começou a estudar o fato de que não havia efeito visível de certas mutações no corpo. No jargão da biologia evolutiva, eles são chamados neutros. Os cientistas, entre os quais Michael Gray, da Universidade de Dalhousie, em Halifax, sugeriram que essas mutações poderiam levar ao aparecimento de estruturas complexas, ignorando as opções intermediárias selecionadas por sua ajuda na adaptação do corpo ao ambiente. Eles chamaram esse processo de "evolução neutra construtiva".
Gray foi inspirado por estudos recentes que oferecem evidências muito interessantes da existência de evolução neutra construtiva. Um dos líderes deste estudo é Joe Thornton, da Universidade de Oregon. Ele e seus colegas encontraram um exemplo dessa evolução nas células fúngicas. Em cogumelos como o
champignon bicúspide , as células precisam mover átomos de um lugar para outro para manter a vida. Para isso, eles, em particular, usam bombas moleculares chamadas “complexo vacuolar de adenosina trifosfato” [V-ATPase]. Um anel rotativo de proteína envia átomos de um lado da membrana do fungo para o outro. Esse anel é obviamente uma estrutura complexa. Contém seis moléculas de proteína. Quatro deles consistem na proteína Vma3, a quinta - Vma11, a sexta - Vma16. E todos os três tipos de proteínas são necessários para a rotação do anel.
Um exemplo de como uma estrutura complexa pode evoluir sem o auxílio da seleção. A) o gene A codifica uma proteína com uma estrutura que permite que oito de suas cópias se agrupem em um anel. B) O gene é copiado aleatoriamente. Inicialmente, dois tipos de proteínas podem ser transformados em um anel em qualquer ordem. C) Mutações removem alguns lugares que ligam proteínas. Agora, as proteínas só podem ser combinadas de uma certa maneira. O anel se tornou mais difícil, mas não devido à seleção natural.Para descobrir como essa estrutura complexa apareceu, Thornton e colegas compararam proteínas com suas versões relacionadas em outros organismos, por exemplo, em animais (cogumelos e animais tinham um ancestral comum que viveu um bilhão de anos atrás).
Nos animais, os complexos V-ATPase também consistem em anéis giratórios compostos por seis proteínas. Mas eles têm uma diferença fundamental: em vez dos três tipos de proteínas, existem apenas dois. Cada anel de animal consiste em cinco cópias do Vma3 e um Vma16. Eles não têm Vma11. Por definição de complexidade de Makshey e Brandon, os cogumelos são mais complexos que os animais - pelo menos na área da V-ATPase.
Os cientistas estudaram de perto os genes que codificam as proteínas dos anéis. O Vma11, exclusivo para fungos, acabou sendo um parente próximo do Vma3 em animais e fungos. Ou seja, os genes Vma3 e Vma11 devem ter ancestrais comuns. Thornton e colegas concluíram que em algum lugar no início da evolução dos fungos, o gene ancestral da proteína do anel foi acidentalmente copiado. Essas duas cópias evoluíram para Vma3 e Vma11.
Estudando as diferenças entre os genes Vma3 e Vma11, Thornton e colegas recriaram seu gene ancestral. Então eles usaram essa sequência de DNA para criar a proteína correspondente - essencialmente ressuscitando uma proteína de 800 milhões de anos atrás. Eles o nomearam Anc. 3-11, uma abreviação de "ancestral of Vma3 and Vma11". Eles estavam se perguntando como o anel protéico funcionaria com essa proteína. Eles introduziram o gene Anc. 3-11 no DNA de leveduras e também desativaram a prole desse gene, Vma3 e Vma11. Em condições normais, a desativação desses genes terminaria mal para o fermento, pois eles não seriam capazes de criar seus próprios anéis. Mas acabou que o fermento pode sobreviver usando o Anc. 3-11. Eles combinaram o Anc. 3-11 com o Vma16 para criar anéis totalmente funcionais.
Tais experimentos permitem aos cientistas formular uma hipótese de como o anel de cogumelos se tornou mais complicado. Os cogumelos começaram com um anel composto por apenas duas proteínas - uma que pode ser encontrada em animais. Os esquilos eram universais, podiam se conectar consigo mesmos ou com seus parceiros, nos lados direito e esquerdo. Mais tarde, o gene para Anc. 3-11 foi copiado e transformado em Vma3 e Vma11. novos esquilos continuaram o trabalho dos antigos e se juntaram em anéis. Mas, ao longo de milhões de gerações de cogumelos, eles começaram a sofrer mutações. Algumas das mutações roubaram sua versatilidade. O Vma11 perdeu a capacidade de conectar-se ao Vma3 no sentido horário. O Vma3 perdeu a capacidade de conectar-se no Vma16 no sentido horário. Isso não matou o fermento, já que as proteínas ainda podiam formar um anel. Ou seja, eram mutações neutras. Mas agora o anel tinha que ser mais complexo, porque só podia formar três proteínas em uma determinada sequência.
Thornton e seus colegas descobriram exatamente o tipo de evolução que a lei da evolução de força zero previu. Com o tempo, a vida produziu mais e mais partes - proteínas do anel. Então essas partes adicionais começaram a diferir umas das outras. Como resultado, os cogumelos têm uma estrutura mais complexa que seus ancestrais. Mas isso não aconteceu como Darwin imaginou, com a seleção natural favorecendo algumas opções intermediárias. Em vez disso, o anel nos cogumelos degenerou e se tornou mais complicado.
Bug fix
Gray descobriu outro exemplo de evolução neutra construtiva na maneira como muitas espécies editam seus genes. Quando as células precisam criar uma proteína, elas copiam o DNA de seu gene no RNA, uma cópia de DNA de fita simples, e depois usam enzimas especiais para substituir algumas partes do ILV (nucleotídeos) por outras. A edição do RNA é necessária para muitas espécies, inclusive nós - os RNAs não editados produzem proteínas que não funcionam. Mas isso ainda é estranho - por que simplesmente não temos genes com a sequência inicialmente correta que eliminaria a necessidade de edição do RNA?
O cenário da evolução do RNA proposto por Gray é o seguinte: a enzima sofre mutação de forma a se tornar capaz de se juntar ao RNA e alterar certos nucleotídeos. Essa enzima não danifica e não ajuda a célula - pelo menos não a princípio. Na ausência de dano, ele persiste. Uma mutação prejudicial ocorre mais tarde no gene. Felizmente, a célula já possui uma enzima que se liga ao RNA que pode compensar essa mutação editando o RNA. Ele protege a célula dos danos da mutação e permite que ela seja passada para a próxima geração e se espalhe por toda a população. A evolução de uma enzima de edição de RNA e a mutação que foi corrigida por ela não foram uma conseqüência da seleção natural, diz Gray. Pelo contrário, esse nível adicional de complexidade surgiu por si só - "neutro". Após a sua disseminação, não era mais possível se livrar dela.
David Speijer, bioquímico da Universidade de Amsterdã, acredita que Gray e seus colegas fizeram um favor à biologia ao expressar a idéia de evolução neutra construtiva, especialmente lançando dúvidas sobre o ponto em que toda a complexidade deve ser adaptativa. Speyer, porém, está preocupado com o fato de que, em alguns casos, eles estão pressionando demais sua ideia. Por um lado, ele acredita que as bombas nos cogumelos são um bom exemplo de evolução neutra construtiva. "Qualquer pessoa razoável vai concordar completamente com isso", diz ele.
Em outros casos, como a edição de RNA, os cientistas, em sua opinião, não devem descartar a possibilidade de envolvimento na seleção natural, mesmo que essa complexidade pareça inútil.Gray, Makshey e Brandon reconhecem o importante papel da seleção natural no aumento da complexidade à nossa volta, da bioquímica inerente às penas às fábricas de fotossíntese contidas nas folhas das árvores. Mas eles esperam que sua pesquisa convença outros biólogos a ir além da seleção natural e ver a possibilidade de que mutações aleatórias possam alimentar independentemente a evolução da complexidade. "Não estamos descartando o papel da adaptação nesse processo", diz Gray. "Simplesmente não achamos que ela possa explicar tudo."