A EVO-DEVO E A PRESENÇA COTIDIANA DOS DINOSSAUROS.

Em Bilhões e Bilhões de Carl Sagan uma de suas frases me deram incentivo a escrever este texto foi “O isolamento gera diversidade”. Veja como a diversidade cultural e linguística das Américas é maior que em outros locais, fruto de sua recente colonização de cerca de 30 mil anos.

De fato, há uma diversidade linguítica muito maior nas Américas do que na África por exemplo, que foi o berço da humanidade, embora a maior diversidade genética da humanidade ainda se concentre lá.

Existem muito mais diferenças genéticas entre dois africanos do que se compararmos um africano com um Europeu.

O objetivo deste texto é mostrar como o limite entre o que se estabelece como espécie A e espécie B é bem tênue e muitas vezes (ou melhor, em grande parte das vezes) é bastante subjetivo.

Muitas pessoas discutem como seria possível um membro surgir, ou qual seria a função de um membro pela metade e coisas deste tipo tentando entender ou invalidar a evolução.

Os genes funcionam como uma orquestra sinfônica, e para tal metáfora devemos conhecer seus limites.

Os genes interagem entre si, uma estrutura anatomica é acompanhada pela atuação de conjunto de genes, chamado de cluster. Muitas vezes esse cluster atua em resposta a expressão de um único gene que ativa um efeito cascata. Da mesma forma que um maestro controla a sua orquestra ou que uma proteína G modifica o padrão de expressão gênica de uma célula no sistema nervoso.

Cada músico representa um gene, e a proteína que cada um produz é o som que seu instrumento faz.  Desta forma um maestro regi sua orquestra tocando Bach, por exemplo.

Se pedirmos para o maestro tocar Mozart em vez de Bach a sua regência irá mudar, e os músicos irão seguir o que o maestro gesticular. Obviamente que nossa metáfora falha ao considerarmos a partitura. Se eu der uma partitura de Mozart ao maestro teremos de automaticamente dar uma a todos os músicos. Isso é o que torna os genes especiais, que mesmo que mude a sua regência as proteínas são as mesmas (exceto se uma mutação ocorrer)

Obviamente que na canção escolhida pelo maestro nem todos os instrumentos tocam na mesma freqüência e intensidade. Todos tocam as mesmas notas harmonicamente, mas não durante toda a música.

O cluster trabalha da mesma forma, submisso a regência de um gene desencadeador. Muitas características evolutivas são criadas a partir de pequenas mudanças na receita de um gene. Se essa característica (em raros casos) forem benéficas, elas podem se tornar presentes numa espécie. Por exemplo, suponhamos que uma população humana que ocupada um espaço geográfico qualquer é dividida ao meio pela mudança do curso de um rio. Suponhamos que a população leste ao longo de milhares de anos de isolamento desenvolva um tufo de pêlos na orelha graças a uma fragmentação dos cromossomos e a atuação de um gene que leva a orientação da produção de pêlos. Após milhares de anos de isolamento o rio seca e as duas populações podem ter contato novamente.

Há duas possibilidades. A primeira seria as mulheres olharem para os homens com pêlos na orelha com desdém dizendo “Credo, que nojo, pêlos na orelha”. Se essa população for rejeitada e parar de trocar genes com a população original (ou vice e versa) então temos uma espécie nova. No caso ocorreu uma especiação.

Obviamente que deve haver um distanciamento genético (embora não seja uma regra como mostrado em  LA PULCE D’ACQUA È L’ANIMALE CON IL PIÙ VASTO PATRIMONIO GENETICO. (com resenha) – https://netnature.wordpress.com/2011/04/13/la-pulce-dacqua-e-lanimale-con-il-piu-vasto-patrimonio-genetico-com-resenha/). Cabe ressaltar que este é um exemplo hipotético, Asiáticos de olhos puxados e pele amarelada ou negros africanos são geneticamente compatíveis com americanos ou europeus, pois não há isolamento genético. Não devemos confundir isso com a seleção de grupo ou até mesmo racismo. Os exemplos são meramente ecótipos, ou variações geográficas

Outra possibilidade seria as populações ainda não se isolarem geneticamente, desta forma essa população com pêlos na orelha podem transmitir essas particularidades para toda a espécie e dilui-la nos genomas.

Nesse caso a informação nova se torna fixa na espécie quando se dilui por todos os indivíduos. De fato, Dawkins apontou que muitas vezes aranhas da mesma espécie ficam isoladas geograficamente e cada população ao longo das gerações obtém características próprias provenientes da sua atuação com o ambiente em que vive. Quando essas duas populações se encontram as características favoráveis tendem a se diluir dentro da espécie. Isso aumenta o pool gênico.

Mas como surge nova informação genética? Bem, novas informações genéticas não precisam necessariamente de novo material genético, basta modificar a atuação de genes, assim como um maestro que rege Bach pode reger Mozart.

A simples modificação de como um gene atua durante o desenvolvimento embrionário pode gerar pequenas modificações anatômicas que ao longo dos milhares de anos podem se fixar numa população e se diferenciar em uma nova espécie. Aqui estamos tratando de uma característica que surge e se dilui dentro de uma espécie, mas imagine a seleção trabalhando sob várias características.

Suponhamos que nas populações hipotéticas que utilizei acima ainda pertençam a mesma espécie. Hipoteticamente imaginemos que a população original que se isolou tenha indivíduos com tolerância a lactose depois de adultos e com asas nas costas. E aquela população com tufo de pêlos na orelha tenha também alguns indivíduos que perderam a sensibilidade ao PTC ( feniltiocarbamida na qual 25% da população humana sente o gosto amargo).

Se essa espécie tem mais de 1000 indivíduos e essas peculiaridades estiverem presentes em 5% dos indivíduos dessa população é bem provável que demore bastante para todos os indivíduos conseguirem todas essas características (insensibilidade ao PTC, asas nas costas, tufos na orelha tolerância a lactose sem contar outras possiveis variações que podem surgir ao longo deste processo, seja ela neutra ou não).

Essas características demorarão para se tornar homogêneas na espécie como um todo e provavelmente outras variações poderão acontecer e começar a se espalhar na espécie ou simplesmente matar os indivíduos. Até mesmo alelos letais são “inteligentes” o bastante para somente se expressar após o individuo que o carrega alcançar a idade reprodutiva, ou seja, ele será capaz de pular para a geração seguinte.

Naturalmente alguns europeus tem resistência a contrair o vírus HIV porque este vírus invade nosso sistema imunológico (macrófagos) através do mecanismo chave e fechadura. Uma proteína presente na capa protetora do vírus HIV é reconhecida como invasora pelo receptor de membrana de um macrófago, assim o macrófago fagocita o vírus que se instala em seu genoma e se reproduz.

Na Europa essa população resistente tem uma variação de um gene (um alelo) que produz uma proteína na membrana do macrófago que não reconhece a proteína presente na capa protetora do vírus, desta forma o vírus não é fagocitado pelo macrófago e não tem como se reproduzir. Porque o mecanismo chave e fechadura não ocorre.

É bem provável que esta variação ocorre raramente, mas dificilmente operará em toda a população humana considerando que é bem rara sua ocorrência e talvez demoraria milhares de anos para se espalhar por todos os indivíduos da espécie humana nas próximas milhares de geração.

O que vejo bastante é pessoas buscando funções para as estruturas dos animais. Por exemplo, como meio braço seria funcional ou meia asa?

Obviamente que o membro não surgiu pela metade, e temos exemplos disto no surgimento dos tetrápodos na qual já destaquei no texto A grande conquista (https://netnature.wordpress.com/2011/05/15/a-grande-conquista/)

É bastante comum ver pessoas acreditarem que as estruturas anatômicas nascem ou surgem com funções pré-determinadas, ou seja, uma mão surgiu com sua função já descrita.

Existe uma diferença Lamarckista e Dawinista entre dizer Eu tenho mão para pegar as coisas e outra para Eu pego as coisas porque tenho mão.

Dizer Eu tenho mão para pegar as coisas é o mesmo que dizer que a evolução ou algum ser sobrenatural criou uma mão perfeitamente com a intenção de pegar algo, como um copo ou um cajado que abre o mar.

Outra coisa é dizer que o membro mão surgiu e criamos uma funcionalidade para ele. O peixe Periophthalmus argentilineatus não criou uma nadadeira para andar fora da água, ele encontrou uma funcionalidade a ela, considerando que tem pulomões e brânquias, essa funcionalidade foi um sucesso adaptativo quando descoberta.

Outro exemplo é de estruturas quando somem. Nem sempre elas somem, e quando somem podem demorar mais do que o comum. Uma coisa é indivíduos que mudam seus hábitos de vida outra é indivíduos terem dificuldade para sobreviver diante de um predador muito voraz.

Desta forma peixes cavernícolas foram utilizados em experimentos. Alguns indivíduos tinham visão e outros não. Um grupo de pesquisadores tirou uma pequena parcela desta população e criou em laboratório, com o passar dos anos a população começou a reaparecer com olhos funcionais. Muitas vezes as características comportamentais ou estruturais estão presentes e dependem do ambiente em que vivem para serem expressas ou simplesmente dependem da lei das probabilidades de Mendel.

Há espécies de plantas com fenótipos diferentes, depende de onde se fixam para sobreviver. Em ambientes aquáticos sua anatomia é totalmente diferente de sua versão terrestre, um exemplo disso é a Sagittaria sagittifolia. Obviamente sua fisiologia também deve acompanha a condição ambiental na qual vive. Se pararmos para pensar, animais que sofrem metamorfose como anfíbios e artrópodes são animais com genomas duplos ou variados dado a quantidade de formas que eles adotam ao longo de seus desenvolvimento. Uma Axolotle não para de uma salamandra que não se desenvolve totalmente, em situações experimentais onde os hormônios tiroxina são aplicados a esses animais elas se desenvolvem por completo até a formação de uma salamandra.

Membros podem ser perdidos pela pressão exercida por predadores ou simplesmente pelo custo/beneficio. As baleias perderam seus membros posteriores por pressões seletivas e questões como a do custo/benefício, embora seja possível ver membros vestigiais nelas, assim como em outros animais como as serpentes. Cada situação tem uma explicação especial.

As vezes ficamos pensando qual a função de uma asa tão pequena como a de um Quiwi. Se o animal ainda esta vivo pode ser que ela tenha um valor adaptativo significativo ou simplesmente que a redução da asa sob a concepção do custo/benefício é mais vantajosa.

Neste aspecto entramos no verdadeiro motivo pelo qual estou escrevendo este texto, a questão das aves e sua evolução.

Não da para discutirmos evolução, conceito de espécie, especiação e manifestações dos genes sem estudarmos o curioso caso da evolução das aves que particularmente vejo como um exemplo clássico de não extinção dos dinossauros e sim sua sobrevivência prolongada até o presente momento.

As penas existiam muito antes do surgimento das aves e até mesmo do Archaeopteryx que é datado em 148 milhões de anos, Jurássico.

A Evo-Devo explica como foi a evolução das penas, ou seja, como o desenvolvimento embrionário pode ser uma janela para explicações evolutivas. É sabido a muito tempo, desde a época de Darwin que a embriologia poderia ser uma ferramenta poderosa a explicação evolutiva.

A China é um local onde há muitos fósseis de diferentes grupos de dinossauros com penas. As penas se originaram nos dinossauros terópodes, bípedes, carnívoros antes do surgimento dos pássaros e obviamente do vôo. De fato os Tiranossauros rex nasciam com penas conforme confirmado nos registros fósseis. Na verdade a visão que temos do T. rex é bastante reduzida por questões cinematográficas. O terrível predador não era tão malvado quanto nós pensávamos.

Tanto as unhas, quando o cabelo, escamas e penas são tegumentos corpóreos que são produzidos pela queratina. Essa já é uma evidência clássica da relação existente entre os diferentes níveis biológicos analisados. São tecidos cutâneos cujo seu controle é feito pelas células da epiderme.

Desenvolvimento embrionário das penas.

A anatomia de uma pena é fácil, em sua base ela tem um cone, que sustenta a raque (coluna principal da pena), os ramos são as barbas, cada barba é ligada a barba adjacente por uma estrutura chamada bárbula.

Hoje existem dois tipos básicos de pena; a pena plumácea,com uma raque rudimentar e um tufo de barbas emaranhada com bárbulas longas; e a pena penácea que compõem o tipo de pena padrão na qual conhecemos, com a espinha chamada de raque as barbas e as bárbulas se ligando a barba de cima.

O desenvolvimento embrionário ou a Evo-Devo foi crucial para o entendimento da evolução das penas. De fato, as penas surgem através da formação de um cone na derme e epiderme, chamado de placódeo, esse cone aumenta formando uma estrutura chamada germe tubular da pena onde internamente ocorre a formação de um anel e um folículo da pena. Dentro os queratinócitos, células especializadas na produção de queratina começam a formar um colarinho que divide-se em ramos laterais. Esse colarinho será a raque e as divisões laterais serão as barbas, muitas vezes crescendo de forma helicoidal e ganhando a sua estrutura morfológica na qual conhecemos após o termino da criação.

Ai entra a evo-devo!!!

Durante o desenvolvimento embrionário acompanhado foi possível averiguar cada estagio do desenvolvimento da pena e foi possível traçar um perfil evolutivo das penas.

No primeiro estágio há a formação do cone e seu alongamento até a formação da germe da pena. No segundo estágio a formação do anel e do colarinho com a diferenciação das barbas.

No terceiro estágio a embriologia não é bastante clara, pois não se sabe o que ocorre primeiro, a formação helicoidal ou a origem das bárbulas. No estágio 4 ocorre a diferenciação das bárbulas. No estágio 5 o surgimento das penas assimétricas que possibilitam o vôo.

Desenvolvimento embrionário das penas e logo abaixo os grupos de repteis que continham penas em seus diferentes estágios de desenvolvimento e evolutivo.

De fato, todos esses estágios foram encontrados em registros fósseis. Desde os cones até a formação das penas assimétricas que possibilitavam o vôo embora o arqueoteris não voasse e provavelmente planasse e dava grandes saltos como o uso das penas.

Não somente no registro fósseis mas o nosso entendimento de como funcionam os genes também mostram como ocorre a formação das penas.

Matthew Harris e John F. Fallon da universidade de Wisconsin-Madson estudaram dois genes importantes, o gene Sonic Hedgehog (Shh) e o Bone morphogenetic (Bmp2) responsáveis pela produção de membros e tegumentos como a pena, dentes e unhas.

Esses genes trabalham com um par modular de moléculas transmissoras de sinais, a proteína Shh induz a proliferação de células e a proteína Bmp2 regula a extensão dessa proliferação e promove a diferenciação celular.

A expressão desses genes começa na formação do placódeo e vai se manifestando até a ponta da germe tubular, nas penas penáceas essa transmissão de sinais desses genes leva a produção de um modelo helicoidal enquanto nas plumáceas o resultado é um tipo de pena mais simples.

Cada estágio da pena há uma intensidade e freqüência, momentos específicos de onde quando e como os genes e suas transmissões serão ativados, o que mostra que com uma única informação genética é possível criar tipos variados de penas unicamente variando a dinâmica na qual os genes são expressos. Desenvolvendo-se assim em estágios hierárquicos na qual um tipo de pena somente pode ser produzido caso a etapa anterior tenha sido já estabelecida, sem qualquer tipo de salto.

CLADOGRAMA

De fato, no Cretáceo a 124 milhões de anos existiram vários dinossauros registrados na China na província de Liaoning com penas tanto modernas quando bastante primitivas, essencialmente em animais terrestres, bípedes, carnívoros como o Coelossauro Sinosauropteryx e o dinossauro oviraptorano Caudopteryx. Alguns céticos acreditam que o Caudopteryx era uma ave primitiva, mas estudos filogenéticos o lançaram no grupo dos dinossauros oviraptoranos.

Alguns dinossauros dromeossauros e nonavianos trazem luz a evolução das penas e do vôo considerando que eram répteis dotados de penas tanto modernas quanto primitivas, principalmente o terezinossauro Beipiaosaurus o Microraptor e o Sinornithosaurus.

Resumo evolutivo dos repteis e aves.

As penas mais primitivas e antigas que se tem conhecimento em registro fóssil é a do Sinosauropteryx que apresentam estruturas tubulares cônicas que replicam exatamente o estágio um de desenvolvimento embrionário ou evo-devo aqui apresentado embora alguns outros terópodes tenham também apresentados penas com raques e estruturas penais semelhantes a ao estágio 2 de desenvolvimento.

Outros dinossauros como o Protopteryx e outros dromeossauros apresentam um leque de penas proeminentes na cauda indicando alguns aspectos semelhantes aos presentes nas futuras aves.

Sob este aspecto não seria exagero algum considerar as aves como um sub grupo de dinossauros que sobreviveu a grande catástrofe KT.

Scritto da Rossetti

Palavras chave: Rossetti, Netnature, Genes, Dinossauros, Aves, Especiação, Evo-Devo

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Referências:

Bilhões e bilhões – Carl Sagan 2008.
A escalada do monte improvável – Richard Dawkins. 1998
Biologia evolutiva – Douglas j. Futuyma – 1998
Scientific american – A controvérsia do que veio primeiro. penas ou pássaros – richard o. prum e alan h. brush – 2003

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