Cientistas dizem que a evolução funciona de maneira diferente do que pensávamos

Um novo estudo da Universidade de Michigan desafia essa suposição de longa data e sugere que a evolução pode funcionar de forma muito diferente do que se pensava.

Repensando a Teoria Neutra da Evolução

À medida que as espécies evoluem, surgem mutações genéticas aleatórias. Algumas destas mutações tornam-se fixas, o que significa que se espalham até que todos os indivíduos de uma população sejam portadores da mudança. A Teoria Neutra da Evolução Molecular argumenta que a maioria das mutações que atingem este estágio são neutras. As mutações prejudiciais são rapidamente eliminadas, enquanto as úteis são consideradas extremamente raras, explica o biólogo evolucionista Jianzhi Zhang.

Zhang e seus colegas decidiram testar se essa ideia se sustenta quando examinada mais de perto. Seus resultados apontaram para um grande problema. Os pesquisadores descobriram que mutações benéficas ocorrem com muito mais frequência do que a Teoria Neutra permite. Ao mesmo tempo, observaram que a taxa global à qual as mutações se fixam nas populações é muito menor do que seria de esperar se tantas mutações úteis estivessem a ocorrer.

Por que as mutações benéficas muitas vezes não duram

Para explicar esta contradição, a equipe propôs uma nova explicação enraizada nas mudanças ambientais. Uma mutação que proporciona uma vantagem num determinado cenário pode tornar-se prejudicial quando as condições mudam. Como os ambientes mudam frequentemente, muitas mutações benéficas nunca se espalham o suficiente para se tornarem fixas.

O estudo, que foi apoiado pelos Institutos Nacionais de Saúde dos EUA, foi publicado em Ecologia e Evolução da Natureza.

“Estamos dizendo que o resultado foi neutro, mas o processo não foi neutro”, disse Zhang, professor de ecologia e biologia evolutiva na UM. “Nosso modelo sugere que as populações naturais não estão verdadeiramente adaptadas aos seus ambientes porque os ambientes mudam muito rapidamente e as populações estão sempre perseguindo o meio ambiente.”

Zhang chama essa estrutura de Rastreamento Adaptativo com Pleiotropia Antagonista. A ideia ajuda a explicar por que os organismos raramente combinam perfeitamente com o ambiente.

O que isso significa para humanos e outras espécies

Zhang acredita que as descobertas têm implicações abrangentes, inclusive para os humanos. Os ambientes modernos diferem dramaticamente daqueles que os nossos antepassados ​​viveram, o que pode ajudar a explicar porque é que certas características genéticas já não nos servem tão bem como antes.

“Acho que isso tem amplas implicações. Por exemplo, os humanos. Nosso ambiente mudou muito, e nossos genes podem não ser os melhores para o ambiente de hoje porque passamos por muitos outros ambientes diferentes. Algumas mutações podem ser benéficas em nossos ambientes antigos, mas são incompatíveis com os de hoje”, disse Zhang.

Ele acrescentou que a adaptação de uma população depende de quão recentemente seu ambiente mudou.

“Em qualquer momento em que observamos uma população natural, dependendo de quando foi a última vez que o ambiente sofreu uma grande mudança, a população pode estar muito mal adaptada ou pode estar relativamente bem adaptada. Mas provavelmente nunca veremos qualquer população que esteja totalmente adaptada ao seu ambiente, porque uma adaptação completa levaria mais tempo do que quase qualquer ambiente natural pode permanecer constante.”

Como os cientistas estudaram mutações benéficas

A Teoria Neutra da Evolução Molecular foi introduzida na década de 1960, quando os avanços no sequenciamento de proteínas e genes permitiram aos cientistas estudar a evolução no nível molecular, em vez de focar apenas em características físicas como forma e estrutura.

Para medir a frequência com que ocorrem mutações benéficas, Zhang e sua equipe analisaram grandes conjuntos de dados de varredura mutacional profunda gerados por seu próprio laboratório e outros. Nestas experiências, os investigadores criaram deliberadamente muitas mutações diferentes dentro de um único gene ou secção do genoma em organismos como leveduras e E. coli.

Eles então rastrearam esses organismos ao longo de muitas gerações e compararam seu crescimento com o tipo selvagem, ou a forma mais comum encontrada na natureza. Ao medir as diferenças de crescimento, os investigadores puderam estimar se uma mutação ajudou ou prejudicou o organismo.

Os resultados mostraram que mais de 1% das mutações foram benéficas. Essa taxa é muito maior do que o previsto pela Teoria Neutra. Se todas essas mutações úteis fossem corrigidas, quase todas as alterações genéticas seriam benéficas e a evolução prosseguiria muito mais rapidamente do que aquilo que os cientistas realmente observam. Essa constatação levou a equipe a questionar a suposição de que os ambientes permanecem constantes ao longo do tempo.

Testando a evolução em ambientes em mudança

Para explorar os efeitos das mudanças ambientais, os pesquisadores estudaram dois grupos de leveduras. Um grupo evoluiu num ambiente estável durante 800 gerações (cada geração durou 3 horas). O segundo grupo evoluiu durante o mesmo número de gerações, mas num ambiente em mudança composto por 10 tipos diferentes de meios de comunicação, ou soluções de crescimento. Cada meio foi usado por 80 gerações antes de mudar para o próximo.

A levedura exposta a condições variáveis ​​mostrou muito menos mutações benéficas se estabelecendo do que aquelas no ambiente estável. Mesmo quando surgiram mutações vantajosas, raramente duraram o suficiente para se espalharem antes que as condições mudassem novamente.

“É daí que vem a inconsistência. Embora observemos muitas mutações benéficas em um determinado ambiente, essas mutações benéficas não têm chance de serem corrigidas porque à medida que sua frequência aumenta até um certo nível, o ambiente muda”, disse Zhang. “Essas mutações benéficas no antigo ambiente podem tornar-se deletérias no novo ambiente”.

Limites e Próximos Passos

Zhang alertou que o estudo se concentrou em leveduras e E. coli, organismos unicelulares onde os efeitos das mutações são mais fáceis de medir. Serão necessários dados de organismos multicelulares para determinar se os mesmos padrões se aplicam a vidas mais complexas, incluindo os humanos.

A equipa de investigação está agora a planear estudos de acompanhamento para compreender melhor porque é que demora tanto tempo para os organismos se adaptarem totalmente, mesmo quando as condições ambientais permanecem estáveis.

Outros autores do estudo incluem os antigos estudantes de pós-graduação da UM, Siliang Song e Xukang Shen, e o antigo investigador de pós-doutoramento da UM, Piaopiao Chen.