A ÁRVORE DA VIDA RECEBE UMA REFORMA.

Os Reinos que aprendemos em sala de aula estão ficando no banco traseiro dos supergrupos da vida.

Estranhas relações – Pessoas, pandas, e até mesmo cogumelos são primos mais próximos dos coanoflagelados unicelulares do que para outros organismos multicelulares. Magazine issue: Vol. 188, No. 3, August 8, 2015, p. 22

A árvore da vida pode parecer um design estável, indelével. Muitas pessoas pensam assim. Uma busca na Internet por “tatuagens filogenéticas” transforma-se um pouco da arte na pele vistosa.

Mas os ramos estão mudando. Desde um diagrama radial tomado como base, feito em 1990, a genética inspirou uma corrida por tatuagens da árvore de vida, diagramas técnicos de conexões ancestrais da vida têm sido redesenhado. E a versão simplificada da árvore da vida memorizada por crianças em idade escolar por décadas está muito aquém o que os pesquisadores descrevem hoje.

Quando Patrick Keeling na Universidade de British Columbia em Vancouver revela diagrama atual de um trabalho científico para seus alunos, a maioria nunca ouviu falar os nomes dos principais ramos. “É um tipo de diversão”, diz Keeling.

Na nova visão – com base em análises genéticas cada vez mais sofisticadas – as pessoas e outros animais são primos mais próximos dos coanoflagelados unicelulares do que para outros organismos multicelulares. A alga marinha gigante que cresce oscilando em florestas submarinas na costa da Califórnia são parentes mais próximos com plâncton unicelular chamados de diatomáceas do que as algas vermelhas pluricelulares ou plantas.

Versões baseadas na  genética da copa de árvore da vida têm inspirado um novo gênero de tatuagem, muitas vezes com organismos simbólicos em vez de rótulos multisilábicos. Ciência de tinta: Tatuagens da ciência, Carl zimmer (sterling). © 2011 Carl zimmer

A velha árvore não esta exatamente errada. Os reinos que usaram para coroar sua parte superior – plantas, fungos e animais – ainda existem. Mas eles mudaram. No novo esquema, antigos ramos gloriosos da árvore encolheram-se a meros ramos laterais, três entre centenas, lotados pela grande diversidade de células individuais complexas.

Os biólogos analisam esta copa de árvore e raramente usam a palavra Reino. Eles falam de cinco ou talvez sete maiores ramos chamados de Supergrupos. E a história de rebaixar reinos e introduzir supergrupos está longe de terminar. A avaliação 2014 observou cinco propostas para designar o mais antigo trecho dos ramos do supergrupo, alguns poucos vão parar mais para baixo da nova árvore. Um paper que saiu na revista Proceedings of the National Academy of Sciences em fevereiro descreveu um novo método para resolver este debate e as discussões continuam.

Mesmo sendo um trabalho em andamento, os novos agrupamentos oferecem benefícios, como auxílio na busca de novos medicamentos e insights sobre quebra-cabeças evolutivos, como a suposta dissipação do sexo. Como a árvore continua a se transformar, vai, sem dúvida, inspirar novas tatuagens.

Uma nova visão de ramificações evolutivas entre os organismos com núcleos celulares está emergindo. Ele se espalha muito além dos antigos reinos da copa de árvore. Organismos multicelulares se misturam com unicelulares. Alguns organismos (órfãos, acima) ainda não foram colocados em um dos sete supergrupos. No sentido horário a partir do cogumelo: Amanita muscaria, Panda gigante, Desmarella, Euglena, Giardia, Trichomonas, estrela da areia, Allogromia, Globigerina, ciliados Colpidium, Stentor, dinoflagelados, Coscinodiscus, Stephanodiscus, alga marinha gigante, Gephyrocapsa, Ceratolithus, Phaeocystis, Magnolia, Galaxaura, algas vermelhas, algas verdes Scenedesmus, Entamoeba, Tubulifera, Caos ameba.
Fonte: A. Worden et al / Science 2015. Clique para ampliar

Escola velha

Ao longo do tempo, desenhos da árvore da vida mudaram para manter-se com a evolução das idéias sobre como categorizar vida.

Em 1735, o médico e botânico sueco Carl Linnaeus publicou a primeira edição de seu sistema de classificação para a natureza, incorporando três reinos: plantas, animais e rochas. (Rochas nunca pegou). Nesses primeiros pilares, as relações evolutivas entre os organismos não importavam. Lineu estava apenas lutando para “revelar a criação de Deus para a humanidade de uma forma ordenada”, diz Gina Douglas arquivista da Linnean Society of London. Charles Darwin só publicaria seu nervoso “A Origem das Espécies” depois de 124 anos.

Em 1969, ecologista Robert Whittaker notou abertamente algumas diferenças evolutivas ao descrever suas idéias para Reinos, na Science (ver ilustração abaixo). Sua abordagem para o topo da árvore (casa dos eucariontes, que envolvem seu DNA em núcleos celulares ligados à membrana) governaria salas de aula de biologia durante décadas. No entanto, seu sistema é baseado apenas em parte em relações evolutivas.

Árvore sala de aula – O esboço de cinco reinos da vida tirada de um influente paper da ciência de 1969 que foi amplamente baseado em hábitos alimentares (parte inferior direita) em vez de relações evolutivas puras. Este sistema reinos multicelulares são glorificados mais do que os unicelulares Protista e Monera. J. Hirshfeld; Fonte: R. Whittaker / Science 1969

Whittaker coroou a sua árvore da vida com três reinos de eucariontes multicelulares classificados principalmente pelo estilo nutricional: os vegetais (que capturam a energia da luz), fungos (que absorvem nutrientes por contato) e animais (ingerem sua comida). Ele reconheceu um quarto reino dos eucariontes: o Protista. Era uma mistura de organismos unicelulares, diferindo em formas e estilos de vida, mas agrupados em grande parte por conveniência. Ele disse isso, reconhecendo que nenhum dos sistemas de classificação que ele discutiu “pode ser totalmente satisfatório”.

Hoje, muitos cientistas esperam por categorias biológicas que consistam em uma única linhagem ancestral e todos os seus descendentes evolutivos. Uma árvore de vida construído desta maneira “realmente muda a forma como você interpreta um monte de coisas”, diz Keeling. Grande parte da biologia assenta-se em informações recolhidas de um organismo e supõe ser verdadeiro para o seu parente próximo. Identificar parentes é importante. “Se você tem uma árvore errada, então você poderia estar errado sobre um monte de coisas”, diz ele.

O desafio é conseguir a árvore correta como uma sequoia alta, uma vez que muito da diversidade da vida reside em micróbios complexos ainda desconhecidos para a ciência. Além de cerca de 150 mil espécies de plâncton marinho detectados durante as expedições nos oceanos de Tara, como relatado em na Science, os pesquisadores identificaram geneticamente cerca de um terço dos eucariotas. Eles não poderiam ser classificados em nenhum grupo conhecido.

Ótima idéia, mas…

As primeiras tentativas para ver o que a genética poderia dizer sobre a árvore da vida pareciam funcionar muito bem. Mas “a ciência não anda sob um caminho linear”, diz Andrew Roger, da Universidade de Dalhousie em Halifax, Canadá, que entrou neste campo na tumultuada década de 1990.

Estas primeiras árvores baseadas nos primeiros eucariotas foram construídas comparando as variações no gene de RNA ribossômico, na subunidade pequena entre as espécies. O resultado parecia crível, com plantas, animais e fungos em grandes ramos no topo. Mais abaixo, na zona de ramos mais antigos, brotaram alguns parasitas como a Giardia (a amargura de caminhantes em bebem água não tratada), Trichomonas sexualmente transmissíveis e o minúsculo microsporidia, que ataca muitos animais.

Engolir outro organismo e transforma-lo em uma organela tem sido importante na história de vida complexa. Mesmo os engolfadores acabam sendo engolfado por vezes.
J. Hirshfeld; Fonte: A. Worden et al / Science 2015

Os investigadores começaram a se perguntar se estes parasitas bizarros e seus familiares poderiam ser relíquias de um momento crucial no início da história da vida dos eucariotos. Os organismos não tinham mitocôndrias, as organelas que servem como centrais de energia da célula. Talvez os parasitas nunca tinham tido nenhum mitocôndrias, como Thomas Cavalier-Smith, da Universidade de Oxford havia sugerido em 1983. Esta noção jogou fora a ideia defendida pela bióloga Lynn Margulis da Universidade de Boston, em 1970, em The Origin of Eukaryotic Cells. Ela sugeriu que as mitocôndrias vieram de um microrganismo de vida livre que algum ancestral dos eucariotos tinha engolfado e colocado para trabalhar. Talvez os parasitas eram relíquias desta antiga “Big Swallow” (grande deglutição).

Usar esses parasitas selecionados como vislumbres de vida antes da mitocôndria “seria muito, muito interessante”, diz o biólogo Dalhousie Alastair Simpson. “Foi uma hipótese encantadora. Mas depois tudo foi para o inferno”.

Um problema veio quando os pesquisadores expandiram suas análises para olhar mais de um gene. Inesperadamente, diz Roger, “nós tivemos diferentes genes dizendo coisas diferentes”.

O desenrolar potencial da hipótese de parasitas-como-reliquias teve um aspecto especial para Roger. Ele estava no meio de um Ph.D. projeto com base no pressuposto de que os parasitas vieram de um momento pré-mitocondrial. “Foi um daqueles casos em que você está tentando trabalhar no tapete que está sendo puxado debaixo de você”, diz ele. “Eu pensei que era muito emocionante.”

Sim, ele disse que “emocionante”. Este ponto de vista da evolução eucariota com base na análise de um único gene “foi para os livros didáticos, e foi o que muitas pessoas haviam feito em suas carreiras”, ele diz. “Parecia que se ele ia falhar, que seja por algo grande”. Ele e seus companheiros de laboratório foram se concentrar nisto.

Roger e seus colegas desferiram um golpe com a hipótese de idade, procurando por traços genéticos de mitocôndrias remanescentes no núcleo da célula parasitada. Embora mitocôndrias necessitem cerca de 700 a 1.000 genes de funcionamento, elas contém apenas cerca de 10 a 100 deles que estão dentro da própria organela. O resto reside no núcleo das células e as proteínas são direcionadas para as mitocôndrias. Os pesquisadores detectaram alguns genes nucleares deixados para trás em supostos ancestrais, tais como Giardia, Trichomonas e alguns microsporidia.

Vários grupos de pesquisa acabaram encontrando pequenos e negligenciados restos de mitocôndrias no interior das falsas relíquias. Os parasitas pareciam muito antigos só porque sua mitocôndria tinha enrugado em pedaços difíceis de reconhecer.

Em microsporidia, descobriu-se que estavam longe de serem relíquias. Examinando um punhado de genes, Keeling e outros pesquisadores demonstraram que a árvore de um único gene tinha colocado microsporidia no reino errado.

Microsporidia são “parasitas realmente desagradáveis, mas fascinantes”, diz Keeling. Os seus esporos resistentes incluem um tubo em espiral. Para infectar uma vítima, ele bomba-a para para dentro com tanta força que a pressão sopra o topo fora do parasita e o tubo dispara como um arpão. Com 100 vezes mais força do que o esporo, os impactos do arpão-tubular entram em sua presa. O núcleo da célula parasita e outras partes internas são injetados através do tubo para dentro da vítima. Embora eles tenham um equipamento elaborado para a infecção, microsporidia são células simples com genomas que são “pequenos, pequenos, pequenos”, diz Keeling. Outra dica enganosa é que eles eram antigos, criaturas simples.

Beleza Estrutural – Desenhos notáveis de  Ernst Haeckel de organismos microscópicos (Radiolários) introduziu gerações e beleza na complexidade da vida unicelular. Mesmo no século 19, ele protestou aos biólogos a negligência das maravilhas microbianas.

Keeling e seus colegas na década de 1990 encontraram provas de que os micro-arpoadores não pertenciam a parte inferior da árvore. Eles eram fungos, um ramo mais recente e organismos metabolicamente muito mais versáteis. Antes desta revelação do erro de classificação, os pesquisadores aceitaram a simplicidade das células de microsporídios assumindo que os traços complicados não tinham evoluído em células simples supostamente antigas. Depois de reconhecer microsporidia como membros do reino dos fungos com todos os seus truques elaborados e estilos de vida metabólicos, biólogos podiam ver que microsporidia tinham se tornado mais complexos de uma só vez, mas acabou perdendo traços extravagantes. “Você tem o ponto de vista exatamente oposto de eles tem de ser da maneira que são, com base em onde eles vão ficar na árvore”, diz Keeling. “São questões da árvore”.

Então, as provas dos supostos parasitas antigos e seus parentes não eram tão antigas e “as pessoas inteligentes que trabalharam com as árvores moleculares simplesmente erraram”, diz Simpson. O problema, hoje amplamente reconhecido, foi o perigo de “atração longo ramo”.

Linhagens que mudam muito acabam como longas linhas filiais em uma árvore evolutiva. Ramos mais novos podem ter mudanças que rápidamente e por acaso desenvolvam semelhanças com ramos genuinamente antigos. Em análises simples, eles acabam mais perto do que deve ser na base da árvore, como se tivessem sido “atraído” um pelo outro.

Supergrupos

Todos os desafios para a primeira árvore genética da vida “deixaram-na com uma bagunça”, diz Keeling. Tornou-se claro que a história de todos os eucariontes não pode ser reconstruída em qualquer árvore sensata com base em um gene. “Nós largamos tudo e recomeçamos novamente. E ela veio junto com uma forma muito diferente”.

Em vez de uma coroa de grupos multicelulares expandida sobre relíquias em ramos longos, os organismos “se fundiram em um pequeno número de grupos muito grandes”, diz ele.

O novo arranjo, publicado em 2012 por Sina Adl, da Universidade de Saskatchewan e colegas no Journal of Eukaryotic Micro­biology, faz uma fabulosa mistura de convergência e divergência. Os animais são parentes próximos dos fungos. Ambos são opisthokontas, juntamente com alguns primos unicelulares. Um patógeno da batata, o Phytophthora, famoso como o “fungo” que causou a fome na Irlanda na década de 1840, não é um fungo em tudo. Ele pertence ao mesmo supergrupo que a alga marinha gigante. Algas vermelhas e verdes se juntam as plantas em um grupo distinto chamado os Archaeplastideos.

Estes são grandes, grupos comuma história profunda, mas não podemos chamá-los de reinos. “Alastair é alérgico a reinos”, diz Roger de Simpson. Os dois colaboraram em um paper enumerando supergrupos, em 2002.

Simpson queria um termo que ninguém iria tratar como um ranking formal. “‘Kingdom’ tem tais virtudes”, diz ele, não com admiração. Biólogos atribuem a classificação de reino amplamente baseando em impressões subjetivas, então ele vê pouca informação transmitida apenas por saber que algo é um reino em vez de algum outro posto na hierarquia. Para evitar o non-sense, ele usa supergrupo em um aceno ligeiro de bandas como os Traveling Wilburys, que uniu (ainda que brevemente) Bob Dylan, George Harrison e três outros músicos famosos de forma independente.

As diatomáceas (topo) com estruturas internas semelhante a vidro pertencem ao supergrupo Stramenopile. Eles vêm em diversas formas, incluindo a diatomácea fan-like (como ventilador)(parte inferior) que vive em algas vermelhas, que são Archaeplastideas.
Da parte superior: Frank Fox/Wikimedia commons (cc by-sa 3.0 de); © Wenn ltd/Alamy

Como Dylan e os outros, cada supergrupo biológico tem sua própria história ilustre. A única proposta que Simpson achou mais surpreendente foi unir todos os grupos eucariotas modernos que têm algas com clorofila c. Isso é uma enorme multidão com nenhuma outra característica óbvia em comum. Embora os organismos de clorofila c parecem tão diferentes à primeira vista, Cavalier-Smith sugeriu que todos eles descendem de um eucariota que engoliu outro, que se tornou sua organela fotossintética. “Parecia uma hipótese muito ousada”, diz Simpson.

Deglutições seqüenciais são uma grande parte da história eucariota. Engolfadores foram sendo engolfados e por sua vez engolidos novamente. “Como bonecas de matryoshka”, afirma Keeling.

Algumas evidências genéticas agora ligam três grandes grupos para um único ancestral com engolfamento de clorofila c, diz Simpson. Stramenopiles, com alga marinha gigante e patógenos da batata, agora juntam-se com alveolates e Rhizaria (mesmo que eles não tenham clorofila c) como o que está muitas vezes abreviado como SAR. Outras transportadores de clorofila c ainda estão em estudo, de modo que uma hipótese ousada pode um dia vir a ser certa. “A coisa muito legal é, nós ainda não sabemos a resposta”, diz Simpson.

Este e outros mistérios eucarióticos podem resolver mais facilmente quando geneticistas refinarem uma técnica para decifrar o DNA de uma célula individual. Nature Methods chamou de “método do ano” para 2013.

As possibilidades da técnica intrigam os pesquisadores, pois espécies unicelulares podem ser difíceis ou impossíveis de crescer no laboratório. Roger descreve amorosamente radiolarios, alguns dos quais constróem esqueletos de sulfato de estrôncio, enquanto outros conseguem comer animais multicelulares. “São apenas organismos bonitos”, diz ele, mas “eles são uma realmente verdadeira dor para trabalhar.” Seqüenciamento de DNA de células únicas tem ajudado no estudo de bactérias, e os papers aqui e ali reportam resultados para eucariotas. A técnica revelou uma interação química entre um morador de intestino de cupins e suas próprias bactérias internas – espiroquetas, em trabalho publicado em maio na revista Proceedings of the National Academy of Sciences.

Aspectos práticos e indo além

Reconstruindo toda essa história evolucionária pode ter implicações práticas. No início da carreira de Keeling, ele investigou uma descoberta peculiar, de que os parasitas da malária têm resquícios de organelas que uma vez produziam clorofila. “Por que a malária teria cloroplastos? Elas vivem no escuro”, diz Keeling. O pesquisador, Iain Wilson, que originalmente propôs a idéia foi visto por um longo tempo como ridiculamente errado. Mas a evidência cresceu, e hoje os cientistas concordam que certo pequeno pedaço do parasita que sobrou de um passado fotossintético ainda tem alguma função no escuro. Esta constatação ajuda a explicar a eficácia de alguns tratamentos anteriormente misteriosos para a malária: As drogas atacam os cloroplastos.

Uma árvore realista da vida também pode alterar o modo como os investigadores olham para questões mais teóricas, por exemplo, como em um mundo supostamente tão desperdiçador e irracional o sexo evoluiu. Apenas um dos dois parceiros podeser imaturo e reduzir para metade a produtividade desde o início. E assim forma-se um debate de longa investigação (SN:. 2/14/09, p 16).

No entanto, esse frenesi é multicelular. Simpson e Roger juntamente com o filósofo Maureen O’Malley da Universidade de Sydney em Biology & Philosophy em 2013 apontou que os conceitos básicos de sexo deve ter evoluído muito antes de pássaros, abelhas ou qualquer outra coisa multicelular.

Em organismos unicelulares, a reprodução não exige sexo, e o sexo nem sempre produz descendentes. Duas células ciliadas podem se encontrar, misturar seu genes e permanecem apenas como duas células. A árvore eucariota está repleta de organismos unicelulares que praticam os conceitos básicos que se combinam para tornar a reprodução multicelular possível. O alegado do desperdício do sexo é uma questão do por que a forma peculiar de sexo amarrada a reprodução multicelular persiste em alguns casos anômalos.

Uma boa árvore da vida pode ser usual, Keeling contesta a idéia de que eucariotas devem ser apreciados apenas pela sua utilidade. As pessoas gostam de animais e plantas para seu próprio bem. “A girafa não vai salvar sua vida, mas as pessoas gostam de girafas”, diz ele. Para ele, eucariotas unicelulares são um Serengeti carismático, apenas menor. Algumas espécies têm uma estrutura – semelhante ao dos olhos de câmera dos animais – com um revestimento externo semelhante a uma córnea, derivada de mitocôndrias e uma estrutura interior sensível à luz engolfada de uma organela de algas vermelhas, Keeling e colegas relataram na revista Nature. Várias espécies de dinoflagelados grandes procuram viver dentro de uma concha rígida. Elas empurram para fora uma estrutura semelhante a um estômago por um furo na casca e digerir presas maiores do que eles. Outras células individuais crescem delicadamente em invólucros exteriores multipontuadas que, eventualmente, acabam cobrindo praias com milhões de estrelas em miniatura.

Sabendo que o mundo dos vivos tem tanta variedade invisível pode mudar a perspectiva de uma pessoa, diz Fabien Burki, que trabalha com Keeling na Universidade de British Columbia. A árvore com um supergrupo oferece o pequeno arrepio de emoções atrás do pescoço ao perceber que cada pedaço de tomate, intestino de cupins ou balde de praia com água do mar mantém vidas muito mais vastas e estranhas do que se imaginava. Burki diz: “É como quando os astrônomos descobrem que existem planetas em torno de outras estrelas”.

Guia de um opisthokonta para supergrupos

Reinos são do século 20, quando se trata dos principais ramos evolutivos da árvore da vida. Décadas de análises genéticas cada vez mais inteligentes revelam que os primeiros organismos a “embrulhar” o seu DNA no interior de um núcleo da célula divergiram em sete ou mais ramos principais de eucariotas que os pesquisadores chamam pouco caprichosamente de supergrupos.

Opisthokontas

Você está aqui. Dois reinos inteiros da velha árvore (animais e fungos), compartilham a mesma grande linhagem. Alguns organismos unicelulares, como o parasita Ichthyosporea, pertencem a aqui também. Eles estão mais estreitamente relacionados com o mundo multicelular das pessoas, pandas e cogumelos Portobello do que a maioria das outras criaturas unicelulares.

Excavata

Vários patógenos infames vivem aqui, como a Giardia, uma desgraça para os caminhantes e viajantes que bebem água não tratada. Este supergrupo foi proposto como uma nucleam que clareou-se a partir do colapso da versão século 20 na copa de árvore. O caso para reunir excavata repousa sobre as novas evidências genéticas mais detalhadas da estrutura da célula – por exemplo, as peças que formam o que se chama uma ranhura de alimentação.

Amoebozoa

Um dos gêneros mais familiares de micróbios, Ameba, pemanece aqui. Ela evoluiu em uma linhagem com outros metamorfos moles, incluindo as amebas sociais, ou moldes de limo. O relatório também surgiu independentemente em outras partes da copa de árvore.

SAR (Stramenopilos, Alveolatas e Rhizaria)

Este supergrupo de supergrupos é muitas vezes apelidado de SAR devido seus componentes. Os seus membros são tão diversos que biólogos construíram para uni-los principalmente pela genética.

Archaeplastideos

Todo o reino vegetal se encaixa aqui, junto com algas vermelhas e verdes, mas não Laminariales. O poder de fotossíntese existe em uma ampla variedade de ramos na copa de árvore da vida.

Referência: F. Burki/Cold Spring Harbor Perspectives in Biology 2014

Fonte: Science News