O QUE DISTINGUE ESPÉCIES SEMELHANTES?

Pequenas regiões de DNA, também chamadas ilhas de especiação, desafiam o significado de espécie 

Por Emily Singer e Quanta Magazine

A maioria dos adultos não tem oportunidade de usar as habilidades de escalar árvores aperfeiçoadas infância.Mas para Jochen Wolf, biólogo evolutivo da Universidade de Uppsala, na Suécia, escalar árvores é parte fundamental de seu trabalho. Ele sobe regularmente em árvores de 20 metros, de onde cuidadosamente retira gralhas recém-nascidas de seus ninhos e as envia para sua equipe no solo.

Gralha cinza John Haslam from Dornoch, Scotland via WikiCommons. Para compreender como duas espécies semelhantes de gralha, a gralha-cinzenta (acima) e a gralha-preta (abaixo) permanecem distintas, cientistas coletam amostras de sangue e outros dados.

Gralha cinza John Haslam from Dornoch, Scotland via WikiCommons. Para compreender como duas espécies semelhantes de gralha, a gralha-cinzenta (acima) e a gralha-preta (abaixo) permanecem distintas, cientistas coletam amostras de sangue e outros dados.

As explorações de Wolf se concentram em duas espécies de aves – gralhas-pretas, que são predominantes na Alemanha ocidental, e seus parente próximos, as gralhas-cinzentas, que dominam a Suécia e a Polônia. Os dois grupos podem cruzar entre si, mas são muito diferentes – as gralhas-pretas, evidentemente, são pretas, enquanto as gralhas-cinzentas têm corpos pretos e cinza – e as aves têm grande preferência por sua própria espécie. Em todos os registros existentes, os dois grupos permaneceram distintos, à exceção de uma estreita faixa de habitat que vai da Dinamarca, passando pelo leste da Alemanha até o norte da Itália, onde às vezes as aves se misturam.

Essas gralhas oferecem uma difícil pergunta a biólogos, que atinge o cerne do conceito de espécie: já que gralhas-pretas e cinzentas podem cruzar e trocar genes, como esses grupos mantêm suas identidades individuais? É como se você misturasse tintas vermelhas e amarelas em um balde, mas as duas se recusassem a produzir o alaranjado.

Na nova pesquisa publicada em junho, no periódico Science, a equipe de Wolf descobriu que uma região surpreendentemente reduzida de DNA pode conter a resposta. Uma comparação dos genomas dos dois grupos de gralhas mostrou que as sequências são quase idênticas. Diferenças em apenas 82 letras de DNA, entre um total de aproximadamente 1,2 bilhão, parecem separar os dois grupos.

Quase todos eles ficam agrupados em uma pequena parte de um cromossomo. “Talvez apenas alguns genes transformem uma espécie no que ela é”, declara Chris Jiggins, biólogo da University of Cambridge, na Inglaterra, que não se envolveu no estudo. “Talvez o resto do genoma possa fluir, de modo que espécies podem ser muito mais fluídas do que imaginávamos no passado”.

As descobertas são impressionantes por sugerirem que apenas alguns genes podem manter duas populações separadas. Algo dentro daquele segmento de DNA impede que gralhas-pretas cruzem com gralhas-cinzentas e vice-versa, criando uma tênue barreira de acasalamento que poderia representar um dos primeiros passos na formação de novas espécies. “Elas têm aparências muito distintas e preferem cruzar com sua própria espécie, e tudo isso deve ser controlado por essas pequenas regiões [de DNA]”, comenta Jiggins.

E gralhas não estão sozinhas nesse comportamento. Um dilúvio de dados genéticos produzidos em anos recentes sugere que o interrelacionamento entre espécies é mais generalizado do que cientistas jamais imaginaram. “Eu acredito que as pessoas ficarão surpresas e que conceito de espécie será desafiado conforme mais dados aparecem”, declara Jiggins. “Eu acredito que isso levará a uma mudança fundamental na compreensão do que é uma espécie”.

Espécies Desconhecidas

Corvus corone

Corvus corone

A maneira tradicional de definir dois organismos como espécies distintas é por sua incapacidade de cruzamento. O naturalista sueco Carlos Lineu, que caminhou pelos corredores da Universidade de Uppsala há mais de 250 anos, empregou essa definição quando criou o sistema de classificação que usamos ainda hoje. Mas cientistas discutem o conceito de espécie há mais de um século.
O próprio Charles Darwin se recusou a definir o conceito em sua formidável obra “A Origem das Espécie”. “Darwin, quando provou que as espécies evoluíam, também provou que espécies não existiam”, aponta James Mallet, biólogo evolutivo da Harvard University. Se organismos estão em evolução constante, então traçar uma linha divisória precisa entre duas espécies diferentes seria necessariamente difícil.

De fato, biólogos evolutivos tendem a usar uma abordagem mais pragmática para definir uma espécie, uma que depende de seu campo de estudo. Uma distinção poderia se basear em diferenças genéticas ou morfológicas, por exemplo. “Quando começamos a falar de espécies, tudo depende de quem está falando”, brinca Wolf.

A pergunta mais importante e interessante, de acordo com biólogos, é sobre o que conduz duas populações a divergir, um processo conhecido como “especiação”. Essa pergunta se aqueceu nos últimos cinco anos com o rápido avanço da tecnologia genômica. Até recentemente, o estudo da especiação se concentrava na ecologia e no comportamento natural, bem como em experimentos de cruzamento, mas cientistas agora são capazes de analisar o genoma de uma infinidade de criaturas selvagens, incluindo as com parentesco próximo. “Há apenas alguns anos, não era possível sequenciar o genoma de organismos selvagens”, lembra Wolf. “Agora podemos, e isso é fantástico”.

Os resultados – dos estudos de gralhas, borboletas, mosquitos, peixes e outros organismos – sugerem que o conceito de espécie é ainda mais confuso do que pensávamos, e que mudanças genéticas nem sempre estão alinhadas com as mais visíveis, como a aparência. “Em alguns casos, espécies têm grandes mudanças morfológicas e comportamentais com apenas algumas mudanças genéticas, e em outros casos existem grandes mudanças genéticas com poucos resultados visíveis”, explica Matthew Han, biólogo da Indiana University

Animais Semelhantes
Quando Wolf vai até um ninho no alto de uma árvore, as jovens aves não ficam particularmente impressionadas em vê-lo. Em vez disso, “elas abrem a boca, esperando serem alimentadas”, conta Wolf. Mas seus pais não sentem o mesmo, e ficam chamando os filhos do alto de árvores próximas. “Nós sempre devolvemos as aves”, declara Christen Bossu, pesquisador de pós-doutorado no laboratório de Wolf.

A equipe de Wolf mede a envergadura de asa e a cor dos jovens, e coleta amostras de sangue para estudos genômicos antes de devolvê-los ao ninho. Em seu artigo mais recente, os pesquisadores não observaram apenas o código genético, mas também estudaram como a atividade genética variava entre as duas populações. Eles encontraram a maior diferença nos genes de pigmentação, que ficam ativos no tecido da pele e controlam a cor das penas. Muitos desses genes ficam no segmento de DNA que difere entre gralhas-pretas e gralhas-cinzentas, sugerindo que de alguma forma os genes de pigmentação que produzem a aparência única dos dois grupos também mantêm as espécies separadas. Mas como?

A explicação mais óbvia é que genes dessa região também influenciam como as aves escolhem seus parceiros. O chamado “cruzamento preferencial”, em que animais parecidos têm maior probabilidade de acasalar uns com os outros, é uma das causas do desenvolvimento de novas espécies. O imprinting parental é uma maneira de conduzir esse fenômeno; se você foi criado por uma gralha-cinzenta, você pode preferir cruzar com outra gralha-cinzenta.

De acordo com Wolf, uma segunda possibilidade reúne escolha de parceiro, cor e visão. Talvez gralhas-pretas consigam ver outras gralhas-pretas com mais facilidade do que conseguem ver gralhas-cinzentas, e assim têm maior probabilidade de cruzar com elas.

Se os genes relativos à cor e os genes envolvidos nesse aspecto da visão ficarem próximos uns dos outros no genoma, é mais provável que eles sejam transmitidos juntos. (Quanto mais distantes dois genes se localizam no genoma, é mais provável que eles sejam separados na transmissão genética).

Dois genes vizinhos com esse tipo de efeito sinérgico na escolha de parceiros poderiam facilmente conduzir à separação das espécies. De fato, pesquisadores descobriram um gene na região que provavelmente está ligado à visão. Eles acreditam que isso influencie o quanto aves percebem contraste, uma hipótese que estão testando com gralhas em cativeiro.

Gralhas adultas são inteligentes demais para serem capturadas. Assim, em maio, pouco antes de seu artigo aparecer na Science, Wolf embarcou em outra escalada. Além do sangue e das penas, ele coletou uma dúzia de gralhas-bebê. No momento elas estão sendo criadas em um aviário na Suécia, onde estão fazendo cientistas abandonarem suas casas (uma das refeições favoritas das aves são corações bovinos).

Pesquisadores treinarão as aves para responder a elementos visuais, como o brilho de luzes, e então descobrirão se gralhas-pretas e cinzentas podem detectar contrastes visuais diferentes. De acordo com Wolf, é possível que gralhas-pretas detectem fortes contrastes visuais de maneira distinta das gralhas-cinzentas, o que poderia explicar porquê elas procuram outras gralhas-pretas como parceiras.

Efeito Borboleta

As gralhas de Wolf não são o único grupo de espécies interrelacionadas que mantêm sua identidade distinta. Do outro lado do Atlântico, duas espécies de borboleta heliconius – a Heliconius cydno e a H. melpomene – residem em locais sobrepostos e podem cruzar umas com as outras independentemente de sua aprência, ainda que isso só aconteça raramente. A cydno é preta com marcas brancas ou amarelas, e a melpomene é preta com marcas vermelhas e amarelas. Cada uma delas evoluiu para imitar o padrão de uma borboleta venenosa diferente, o que ajuda a protegê-las de predadores. Mas, assim como as gralhas de Wolf, a cydno e a melpomene preferem sua própria espécie.

A análise genômica sugere que as duas espécies estão trocando genes a uma taxa surpreendente. Mas cada espécie tem segmentos únicos de genoma, que parecem persistir mesmo com a mistura do resto do genoma. É como se essas partes do genoma fossem feitas de óleo e o resto, de água; a água se mistura facilmente mas o óleo permanece em gotículas distintas.
Cientistas batizaram essas regiões do genoma de “ilhas de especiação”. A persistência dessas ilhas é um fenômeno que já foi observado em vários organismos.

A seleção natural parece exercer pressão evolutiva nessas regiões, o que mantêm distintos tanto os genes quanto seus traços correspondentes, mesmo diante do intercruzamento, enquanto o resto do genoma pode se misturar.
Cientistas teorizam que essas áreas realizam a maior parte do trabalho para manter espécies individuais, talvez preservando padrões diferentes de cores ou seu comportamento sexual. Jiggins e outros agora estão tentando descobrir que tipos de genes residem nessas ilhas, e como eles separam as duas populações. “Quando começa a divergência, que tipos de genes divergem primeiro? Quais genes conduzem à especiação? Quais são as primeiras coisas que se diferenciam?”, pergunta Hahn.
Alguns dos maiores condutores desse processo podem ser os genes que controlam traços múltiplos. “Frequentemente parecem existir alguns genes com grandes efeitos no genoma, e isso acontece em várias coisas”, declara Ole Seehausen, ecologista evolutivo da Universidade de Bern, na Suíça. “Um gene que afeta o desempenho de um indivíduo em certos ambientes pode afetar sua percepção e reprodução”. Genes que ficam mais próximos no genoma (como os genes de pigmento e visão das gralhas) podem ter o mesmo efeito, já que tendem a ser herdados juntos.

O comportamento de borboletas heliconius apoia essa ideia. Após cientistas observarem anos de cruzamentos em laboratório, eles identificaram um gene ligado à padronização de asas, que difere entre as duas espécies. Um gene vizinho fica ligado à preferência de cruzamento, ainda que cientistas não tenham identificado o gene específico.

Tomada em sua totalidade, a pesquisa está começando a criar uma imagem do processo de especiação. Isso pode começar com uma pequena região do genoma, provavelmente abrigando genes conectados ao cruzamento, como parece ser o caso de gralhas. Então essa região se expande, e novas ilhas abrigando outros genes divergentes emergem, criando ilhas de especiação pelo genoma.

No meio do caminho

A zona híbrida das gralhas – a estreita faixa de terra onde as duas espécies se misturam – não é dramática em nenhum aspecto. Nenhuma montanha as separa, e nem bloqueia uma espécie da outra. O terreno é semelhante tanto a leste quanto a oeste, com as duas espécies habitando o mesmo tipo de florestas. Não está claro como os dois grupos definiram seus territórios.

Os grupos provavelmente se dividiram durante as eras glaciais, quando geleiras cobriam o norte da Europa. Gralhas e outros animais se mudaram para o sul, provavelmente se refugiando em dois locais diferentes. Quando as geleiras recuaram, as duas populações foram para o norte, encontrando-se na zona híbrida. Mas cientistas ainda não sabem se isso aconteceu na era glacial mais recente, há apenas 10 ou 20 mil anos, ou em um evento anterior, até dois milhões de anos atrás.

Essa incerteza destaca um dos desafios de estudar a especiação. Às vezes duas histórias, possíveis mas muito diferentes, podem produzir o mesmo padrão genético. As regiões compartilhadas do genoma ao redor das ilhas de especiação, por exemplo, podem ter outras explicações, como uma ancestralidade compartilhada, como Hahn argumentou em um artigo publicado em julho. Duas espécies podem ter genomas semelhantes não apenas porque trocaram genes recentemente, mas porque compartilham uma espécie ancestral comum. “As pessoas passaram dos limites na interpretação de ilhas de especiação”, comenta Hahn.

Gralhas-pretas e cinzentas poderiam ser espécies bem antigas com genomas semelhantes devido à miscigenação. Ou elas poderiam ser bem jovens, tendo se separado de um ancestral comum em tempos relativamente recentes, com a pequena quantidade de divergência sendo o primeiro sinal da especiação. O grupo de Wolf favorece essa última interpretação, mas espera abordar a questão diretamente com mais análises genéticas.

Então o que tudo isso significa para a definição de espécie? Cientistas ainda não têm uma resposta definitva. Simplesmente definir espécies com base na genética não resolve o problema. Como Wolf e outros mostraram, a resposta depende do genoma observado. É muito difícil definir um limite”, conclui Wolf. “Partes diferentes do genoma dizem coisas diferentes”.

Fonte: Scientific American Brasil

One thought on “O QUE DISTINGUE ESPÉCIES SEMELHANTES?

  1. ““Elas têm aparências muito distintas e preferem cruzar com sua própria espécie, e tudo isso deve ser controlado por essas pequenas regiões [de DNA]”, comenta Jiggins”

    Ué, mas a variabilidade genética não é importante para a sobrevivência de uma espécie? Não seria mais vantajoso as gralhas pretas e cinzentas misturarem os genes?

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