Incapacidade de repetir a evolução dos acasos passados

Imagem gerada por IA (acervo de Lexica)

por Fazale Rana

7 de agosto de 2008

Apoio Experimental para Contingência Histórica desafia a Evolução Biológica

O filósofo George Santayana, um importante intelectual da virada do século passado, produziu uma série de obras filosóficas influentes. Ironicamente, poucas pessoas conhecem sua filosofia. Em vez disso, ele é provavelmente mais conhecido pelo seu aforismo: “Aqueles que não conseguem lembrar o passado estão condenados a repeti-lo”. Ainda assim, essa afirmação comunica uma verdade profunda sobre a importância da história.

O falecido biólogo evolucionista Stephen Jay Gould também apresentou alguns aforismos. Um deles tem a ver com a previsibilidade dos processos evolutivos em larga escala. De acordo com Gould, se alguém apertasse o botão de retrocesso, apagasse a história da vida e deixasse a fita rodar novamente, os resultados seriam completamente diferentes a cada vez. Dito de outra forma, Gould pensava que a evolução não consegue lembrar o passado e está condenada a nunca repeti-lo – uma verdade profunda sobre a natureza da evolução biológica.

A própria essência do processo evolutivo torna os resultados evolutivos imprevisíveis e irrepetíveis. Os processos evolutivos são cegos e não direcionados. De acordo com o conceito de contingência histórica, defendido por Gould em seu livro Wonderful Life (Vida Maravilhosa), o acaso governa a evolução biológica e bioquímica em seu nível mais fundamental. Os caminhos evolutivos consistem numa sequência histórica de mudanças genéticas aleatórias operadas pela seleção natural, que também consiste em componentes aleatórios. Como consequência, se os eventos evolutivos pudessem ser repetidos, o resultado seria dramaticamente diferente a cada vez. A incapacidade dos processos evolutivos de refazer o mesmo caminho torna altamente improvável que os mesmos desenhos biológicos e bioquímicos apareçam repetidamente em toda a natureza entre organismos não relacionados.

Ao contrário do que se esperava, porém, parece que a evolução se repetiu continuamente. Os biólogos evolucionistas observam que os processos evolutivos frequentemente parecem convergir de forma independente para sistemas anatômicos, fisiológicos, comportamentais e bioquímicos idênticos. (Acesse aqui e aqui para ver dois artigos que escrevi sobre este problema há algumas semanas.) Os biólogos evolucionistas referem-se a resultados evolutivos repetidos como convergência.

Em meu novo livro, The Cell's Design (O Design da Célula), documento mais de cem exemplos de convergência no nível bioquímico. Nesta base, argumento que a ocorrência generalizada de origens repetidas de uma vasta gama de sistemas bioquímicos levanta questões significativas sobre a validade das explicações evolutivas para a origem e diversidade da vida, se a contingência histórica refletir verdadeiramente a natureza dos processos evolutivos.

Contudo, alguns biólogos evolucionistas expressam ceticismo sobre a contingência histórica. Simon Conway Morris é um deles. Em seu livro Life's Solution (A Solução da Vida), Conway Morris argumenta que a difusão da convergência biológica e bioquímica revela algo fundamental sobre o processo evolutivo. Embora os caminhos que a evolução percorre possam ser historicamente contingentes, o processo sempre encontra o seu caminho para os mesmos pontos finais sob a influência da seleção natural. Em outras palavras, a evolução de fato repete-se, deixando a contingência para os pequenos detalhes.

Dado que os processos evolutivos em grande escala não podem ser observados, como é que os cientistas resolvem esta controvérsia? Um novo trabalho do grupo de Richard Lenski na Michigan State University proporciona um avanço significativo nesse sentido. Eles forneceram o primeiro teste científico em tempo real para contingências históricas no âmbito do seu Experimento de Evolução de Longo Prazo (LTEE).

Experimento de Evolução de Longo Prazo

Projetado para monitorar mudanças evolutivas em Escherichia coli, este estudo foi inaugurado em 1988. O LTEE começou com uma única célula de E. coli que foi usada para gerar doze linhagens de células geneticamente idênticas.

Os doze clones da célula parental de E. coli foram inoculados num meio de crescimento mínimo que continha baixos níveis de glicose como única fonte de carbono. Após crescimento durante a noite, uma alíquota (porção) das células foi transferida para meio de crescimento fresco. Este processo tem sido repetido todos os dias há cerca de vinte anos.

Ao longo do experimento, alíquotas de células foram congeladas a cada 500 gerações. Essas células congeladas representam uma espécie de “registro fóssil” que pode ser descongelado e comparado com as gerações atuais e passadas de células.

As forças da seleção natural foram cuidadosamente controladas neste experimento. A temperatura, o pH, os nutrientes e a exposição ao oxigênio têm sido constantes nos últimos vinte anos. A fome é o principal desafio enfrentado por essas células.

Lenski e colaboradores notaram mudanças evolutivas nas células, algumas das quais ocorreram em paralelo. Por exemplo, todas as populações evoluíram para aumentar o tamanho das células, crescer mais eficientemente com glicose e crescer mais rapidamente quando transferidas para meios frescos. Essas mudanças fazem sentido dadas as condições de quase fome das células.

Evolução da Cepa Cit+

Uma mudança evolutiva que deveria ter ocorrido, mas não ocorreu (pelo menos até recentemente), envolve o uso de citrato como fonte de carbono. E. coli cultivada em condições aeróbicas (à base de oxigênio) não pode usar este composto como alimento. Esta bactéria possui maquinaria bioquímica para metabolizar o citrato; simplesmente não consegue transportar o composto através do envelope celular.

Lenski e sua equipe aproveitaram a deficiência de E. coli para monitorar a contaminação em seu experimento. Eles adicionaram citrato em níveis relativamente altos ao meio de crescimento. Uma vez que outros micróbios podem normalmente fazer uso de citrato, qualquer micróbio contaminante introduzido acidentalmente durante as etapas de transferência crescerá para densidades celulares maiores do que E. coli, fazendo com que o meio fique turvo.

Meio turvo significa que algo está usando citrato. Sempre que o meio ficava turvo, os colaboradores de Lenski tentavam confirmar a contaminação identificando o intruso microbiano indesejado.

Surpreendentemente, cerca de 32.000 gerações no LTEE, a E. coli começou a utilizar citrato como fonte de carbono. Lenski e seus colegas argumentaram que essa habilidade recém-adquirida se devia a uma alteração genética única e rara ou a uma série de mutações que formaram um caminho que culminou na capacidade de usar citrato.

O genoma da E. coli consiste em cerca de 4,6 milhões de pares de bases. (Cada par de bases poderia ser considerado uma letra genética no livro da vida da E. coli.) As células que fazem parte do LTEE experimentaram coletivamente milhares de milhões de mutações ao longo da experiência. O suficiente para causar alterações em cada posição do genoma da E. coli várias vezes. Além disso, a taxa de mutação para produzir a cepa de E. coli que usa citrato é extremamente baixa em comparação com a taxa de mutações, em geral, e mutações benéficas, especificamente, que ocorrem no genoma de E. coli. Tomadas em conjunto, estas duas observações argumentam que a evolução das células que se alimentam de citrato deve ter envolvido uma sequência de mutações, e não uma única alteração genética rara.

A capacidade evoluída de usar citrato apresentou à equipe de Lenski uma rara oportunidade de testar a noção de contingência histórica.

Um Teste de Contingência Histórica

Para realizar este teste, Lenski e seus colegas pesquisadores coletaram amostras congeladas de células ancestrais de E. coli, cultivaram-nas e transferiram-nas para meios frescos todos os dias – monitorando-as por cerca de 4.000 gerações para ver se alguma célula adquiriu a capacidade de usar citrato.

Eles não observaram as mudanças que esperavam ver na amostra de células analisada antes de aproximadamente 27 mil gerações. Somente as células colhidas após esse ponto da “história” desenvolveram a capacidade de usar citrato, e apenas raramente essa mudança ocorreu.

Este resultado indica que uma série potencializadora (cada vez mais eficaz) de alterações mutacionais tornou possível o crescimento de E. coli em citrato. As células que não experimentaram o mesmo caminho de mudanças não conseguiram desenvolver capacidades de utilização de citrato. Em outras palavras, a contingência histórica caracterizou a evolução das cepas produtoras de citrato.

No caso das diversas células retiradas após aproximadamente 27.000 gerações, onde a utilização do citrato evoluiu repetidamente, estas células necessitaram apenas de uma única alteração para fazer uso do citrato. Este resultado significa que, dadas oportunidades suficientes, a evolução pode repetir-se se envolver um único evento mutacional. Mas quando várias mutações têm de ser sequenciadas na ordem correta, a evolução não pode repetir-se. A evolução é historicamente contingente.

Num certo sentido, o LTEE representa a melhor oportunidade possível para uma evolução repetida, uma vez que as condições de crescimento e as forças de seleção (quase a inanição) têm sido constantes o tempo todo. Os altos níveis de citrato também têm sido constantes. Ao incorporar níveis tão elevados desta fonte de carbono no experimento, o grupo de Lenski estava “ousando” a E. coli a desenvolver capacidades de utilização de citrato.

No mundo real – fora das condições controladas do laboratório – as condições de crescimento, as forças de seleção e as oportunidades para o avanço evolutivo são variáveis. Essa variabilidade aumenta a contingência do processo evolutivo.

As Implicações

A demonstração experimental da contingência histórica em E. coli levanta questões significativas sobre a validade das explicações evolutivas para a origem e história da vida. Embora a evolução não deva se repetir, parece que ela se repetiu inúmeras vezes no nível bioquímico e no nível do organismo.

A convergência biológica não apenas questiona a validade da evolução biológica, mas aponta para o trabalho de um Criador. Como argumento em The Cell's Design, designers e engenheiros frequentemente reaplicam estratégias bem-sucedidas quando enfrentam problemas intimamente relacionados. Por que reinventar a roda? É muito mais prudente e eficiente para um inventor reutilizar os mesmos bons designs tanto quanto possível, especialmente quando confrontado com um problema que já resolveu.

A tendência dos engenheiros e designers de reutilizar os mesmos designs fornece uma visão sobre a forma como um Criador pode trabalhar. Se os engenheiros humanos, feitos à imagem de Deus, reutilizarem as mesmas técnicas e tecnologias quando inventam, é razoável esperar que um Criador faça o mesmo. Se a vida deriva da obra de um Criador, então é razoável esperar que os mesmos designs apareçam repetidamente em toda a natureza. O uso repetido de projetos bons e eficazes refletiria sua prudência e eficiência como Engenheiro divino.

Um Ponto Final

A evolução da E. coli no LTEE valida o paradigma evolutivo? Na verdade. As mudanças evolutivas experimentadas por este micróbio são equivalentes às mudanças microevolutivas observadas em organismos multicelulares complexos.

A evolução das capacidades de utilização de citrato parece envolver alterações numa proteína de transporte associada ao envelope celular. Desenvolver uma proteína de transporte com a capacidade de mover o citrato através do envelope celular sob condições aeróbicas parece exigir várias mudanças que funcionam em conjunto para alterar as propriedades do transportador. Dado o grande número de células e o grande número de gerações (30.000), não é surpreendente que ocorram mudanças evolutivas. Ainda assim, a modificação de uma proteína preexistente para transportar citrato está muito longe de gerar uma estrutura complexa como o flagelo bacteriano a partir de sistemas bioquímicos preexistentes.

Parece que um Criador se lembrou do passado biológico e escolheu repeti-lo uma e outra vez.

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Traduzido de Inability to Repeat the Past Dooms Evolution (RTB)

Etiquetas:

evolucionismo - bioquímica