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UMA

ADEIRA

A

I'

E

UM

BRAÇO I'

UMA

E

A COMO

A

A EVOLUÇÃO

PRODUZIU

SUAS

OBRAS-PRIMAS

Olhos, asas - a natureza está repleta de estruturas complexas. Os cientistas vêm descobrindo como elas surgiram. Das minúsculas criaturas marinhas aos seres humanos, genes iguais são responsáveis pela estruturação do corpo, revelando a trajetória evolutiva dos primórdios elementares àsformas mais intricadas. PINGÜIM-REI

Um filhote de pingüim possui toda a infra-estrutura especializadas

APTENODYTES

PATAGONICA,

que caracterizam

FOTOGRAFADO

NA WESTERN

genética para a formação das penas e nadadeiras

o adulto. A anatomia é incomum - mas não os genes que a produzem.

FOUNDATlON

OF VERTEBRATE

Z00LOGY

119


RHOMBODERA

STALlI

MANTテ好EO

120

NATIONAL

GEOGRAPHIC

窶「 NOVEMBRO

2006


A parte inferior de um louva-a-deus revela as complexas estruturas que a evolução lhe deu: olhos compostos, membros cerdosos, dois tipos de asa. Para os cientistas, cada vez é mais evidente que todas essas estruturas têm raizes profundas. Os mesmos genes responsáveis pela formação dos mantídeos são encontrados em criaturas bem mais simples.

EVOLUÇÃO

121


POR FOTOS

DE

CARL

ZIMMER

ROSAMOND

PURCELL

pai da evolução era um pai ansioso. Poucas coisas causavam mais preocupação a Charles Darwin do que ter de explicar de que modo surgiram algumas das estruturas mais complexas da naturezao olho, por exemplo. "O olho me deixa arrepiado", disse a um amigo em 1860. Só agora os biólogos estão começando a entender as origens da complexidade da vida - o refinado mecanismo óptico do olho, a magistral engenharia do braço, a arquitetura de uma pena, a coreografia que torna possível a cooperação de trilhões de células em um único organismo. A resposta básica é óbvia: de uma maneira ou de outra, todas essas maravilhas evoluíram. "O conceito fundamental da evolução é elegante, belo e simples': diz Howard Berg, um pesquisador da Universidade Harvard que dedicou grande parte dos últimos 40 anos a estudar um dos exemplos mais humildes de complexidade na natureza, a cauda giratória de bactérias ordinárias. "A idéia é simplesmente experimentar, fazer uma altera-rão e em seguida perguntar: 'Com isto, a probabilidade de sobrevivência melhora ou piora?' Em caso negativo, aqueles indivíduos alterados morrem e a idéia desaparece. Em caso positivo, os indivíduos sobrevivem e continua o processo de experimentação e aperfeiçoamento. É um método extremamente poderoso!' No entanto, quase 150 anos depois de Darwin ter apresentado essa idéia elegante para o mundo, ao publicar seu livro A Origem das Espécies, a evolução de estruturas complexas pode ainda ser difícil de aceitar. Quase todos nós conseguimos vislumbrar a seleção natural enquanto esta promove mutações em alguma característica simples - tornando mais peludo um animal, por exemplo, ou encompridando seu pescoço. Mas é bem mais difícil imaginar a evolução produzindo novo órgão complexo, com todas as suas partes precisamente interconectadas. Os adeptos do criacio122

NATIONAL

GEOGRAPHIC

• NOVEMBRO

2006

nismo alegam que a vida possui tal complexidade que jamais poderia ser o resultado de uma evolução - é o resultado direto de um "projeto inteligente" concebido por um ser superior. O estudo do modo como surgem as estruturas complexas é uma das fronteiras mais instigantes da biologia evolutiva, e nela as pistas estão proliferando de maneira extraordinária. Algumas foram descobertas em fósseis raros, que revelam os precursores de órgãos complexos, como os membros ou as penas. Outras vieram dos laboratórios, onde os cientistas pesquisam os genes que transformam embriões sem características em organismos adultos. Ao comparar os genes que formam o corpo de diferentes espécies, eles recolheram indícios de que estruturas tão diferentes, como os olhos da mosca e os do homem, na verdade partilham uma herança comum. Os cientistas ainda têm um longo caminho a percorrer para entender a evolução das estruturas complexas, o que não é de admirar: afinal, muitos dos equipamentos dos seres vivos evoluíram há centenas de milhões de anos. Apesar disso, as novas descobertas estão revelando as etapas do desenvolvimento das estruturas complexas desde que surgiram. E nesse processo os cientistas constantemente redes cobrem regras cruciais. Uma delas é que uma estrutura complexa pode evoluir por meio de uma série de formas intermediárias mais simples. Outra é que a natureza não gosta nada do desperdício, aproveitando genes velhos para novos usos e até mesmo reaproveitando os mesmos genes de maneiras inovadoras, a fim de construir algo mais complexo.


o biólogo Sean Carroll equipara os genes que formam os organismos a trabalhadores da COllStru'rão civil. "Quem passa por uma construção todos os dias às 6 da manhã, bem que poderia dizer 'Uaul, é um milagre - o prédio está crescendo sozinho'. Mas, se a pessoa ficar ali o dia todo, observando os operários, acabaria por entender como são feitas as coisas. E aqueles mesmos trabalhadores, usando as mesmas máquinas, são capazes de construir qualquer tipo de prédio." Embora uma perna, uma pena ou uma flor sejam de fato estruturas maravilhosas, certamente não surgiram por milagre. DE

UMA

CÉLULA

A

TRILHÚES

DELAS

Em cada corpo humano, cerca de 10 trilhões de células - unidades de vida desprovidas de cérebro - interagem umas com as outras de modo a formar um todo unificado. Para a bióloga Nicole King, trata-se de "uma dança complexa': que requer organização e comunicação ininterruptas. E isso começou há mais de 600 milhões de anos, quando organismos constituídos de uma única célula deram origem aos primeiros animais multicelulares, um grupo que hoje inclui criaturas tão diversas quanto as esponjas-do-mar, os besouros e os seres humanos. Nicole estuda os coanoflagelados, que são alguns dos organismos unicelulares vivos mais pró-

TOMANDO

ximos de nós. Não é difícil achar os coanoflagelados. Basta colher um pouco de água em um riacho ou mangue e colocar algumas gotas em um microscópio para ver essas criaturas com forma de girino movendo-se para lá e para cá. Entre os demais protozoários, eles são reconhecíveis por um anel característico na base da cauda. Quando Nicole e seus colegas examinaram as proteínas produzidas pelos coanoflagelados, identificaram algumas que antes eram consideradas típicas apenas de animais - moléculas essenciais para a manutenção de corpos multicelulares. "Foi uma surpresa'; diz Nicole. "Qual a utilidade dessas proteínas para esses organismos unicelulares?" Algumas das proteínas criam normalmente o que Nicole chama de "um abraço entre as células': impedindo as células animais de se juntarem de maneira aleatória. Nicole e seus colegas estão realizando experimentos para descobrir como os coanoflagelados usam essas proteínas adesivas uma possibilidade é que estas sejam úteis para agarrar bactérias que lhes servem de alimento. Outras proteínas desempenham papel na comunicação entre as células. Os coanoflagelados, que supostamente não têm motivo para conversar com outras células, talvez usem essas proteínas para detectar alterações no ambiente. As descobertas sugerem que muitas das ferramentas necessárias ( Continua na página 128)

CORPO

A complexa forma de um animal

Peixe

Galinha

Ser humano

3 dias

32 dias

adulto surge no desenvolvimento

do embrião. Em seus primórdios, os embriões de três vertebradosum peixe, uma galinha e um ser

1

dia

humano - são parecidos. Mas os genes ativos nos segmentos correspondentes de cada embrião

(em vermelho) evoluem para formas distintas, produzindo nadadeiras, asas ou braços. A evolução pode

reformular um organismo ao experimentar os genes que controlam o desenvolvimento. DESENHOS

ILUSTRAçOes

FORA

DE ESCALA

DE JOHN

BURGOYNE

3 dias

56 dias


o

ANTROZOUS

124

NATIONAL

PALLlDUS,

FOTOGRAFADO

GEOGRAPHIC

CÉU

NO NORTH CAROLINA

É

STATE MUSEUM

• NOVEMBRO

2006

o

LIMITE

DF NATURAL scrENCES


FORCIPIGER LONGIROSTRIS

PEIXE-BORBOLETA

Há cerca de 400 milhões de anos, os chamados genes Hox tornaram-se transformando

ativos nos embriões em desenvolvimento, as nadadeiras nos primeiros membros para

locomoção em terra. Um peixe antigo parente de espécies modernas, como a dos peixes-borboleta

(acima), deu origem

a uma criatura capaz de mover-se em terra. A metamorfose prosseguiu nos animais terrestres posteriores. As asas dos morcegos (à esquerda) são uma versão das mãos, com os ossos dos dedos revestidos de uma membrana - resultado da mutação no gene responsável pelos membros no antepassado dos morcegos, uma criatura parecida com a toupeira. Essa ínfima alteração evolutiva permitiu que um mamifero voasse.

MORCEGO-PÁLIDO

EVOLUÇÃO

125


DE

,~ j

I

1

CÉLULA

A VARIAS

.... . ..

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UMA

• <J

t

ORDEM CHOANOFLAGEll1DA;

DESENHO

DE WILUAM SAVtllE-KENT

COANOFLAGELADO

Há 600 milhões de anos, criaturas unicelulares - microscópicas se moviam graças a filamentos ondulantes esponjas-do-mar

e outros invertebrados

bolsas filtradoras de água que

- deram origem a animais multicelulares,

como as

marinhos (à direita). Como os organismos responsáveis

por essa transição não deixaram fósseis, os cientistas estudam os coanoflagelados

(arte acima,

com partículas vermelhas de alimentos), talvez os parentes vivos unicelulares mais próximos dos animais. Os coanoflagelados possuem genes que fabricam proteínas essenciais à vida multicelular. Isso sugere que os ancestrais unicelulares de todos os animais estavam geneticamente para tornar-se mais complexos, embora tenham destinado tais ferramentas

ESPONJAS-DO-MAR

126

NATIONAL

GEOGRAPHIC

• NOVEMBRO

2006

equipados

a outros fins.


ESPONJA-DO-MAR:

HAlICHONDR/A

BOWERBANK/;

TUN\CADOS:

GÊNERO

BOTRYLLUS,

FOTOGRAFADOS NO MAR1NE B\OLOGICAL LABORATORY DE WQQD5 HOLE

EVOLUÇÃO

127


geral concordam que o ancestral comum de todos esses seres - urna criatura parecida com um verme que viveu há estimados 570 milhões de anos - já possuía um conjunto básico de genes associados ao projeto do corpo. Em seguida, seus descendentes usaram tais genes para desenvolver novos tipos de corpo. Para ter uma idéia de como essa caixa de ferramentas básica pode gerar tantas estruturas complexas, vale a pena considerar o caso do onicóforo. Esses vermes se arrastam pelo piso das florestas tropicais sobre pernas quase idênticas em forma de almofadas. Na verdade, trata-se de uma criaturinha não muito interessante. No entanto, também é o parente vivo mais próximo do mais diversificado grupo isolado de animais, os artrópodes. Entre estes, encontramos uma imensa variedade de corpos complexos, desde borboletas até tarântulas, límulos, carrapatos e lagostas. Segundo os cientistas que estudam os genes responsáveis pelo projeto do corpo, no início os artrópodes eram bem parecidos com os onicóforos. Mas o mapa invisível do corpo dos artrópodes tornou-se mais complexo, com mais compartimentos, dos quais surgiram novos elementos corporais. Alguns compartimentos, por exemplo, desenvolveram órgãos para a respira-

para a construção de um corpo multicelular já estavam presentes em nossos ancestrais unicelulares. A evolução tomou emprestadas tais ferramentas para fazer algo diferente: construir corpos cada vez mais elaborados. PROJETOS

DE

CORPO

Uma larva de mosca em desenvolvimento parece tão desprovida de características quanto um grão de arroz. Mas ela já contém um mapa da complexa criatura em que vai se transformar. No interior da larva, encontram-se diversas combinações de genes, os quais a dividem em compartimentos invisíveis. Esses genes ativam outros genes que atribuem a cada compartimento uma forma e uma função: alguns viram pernas, outros se transformam em asas e outros ainda em antenas. A anatomia invisível torna-se visível. As moscas não são os únicos animais cujo corpo se forma desse modo. Os cientistas descobriram que os genes responsáveis por definir o projeto do corpo da mosca possuem equivalentes quase idênticos em muitos outros bichos, desde caranguejos, passando por minhocas e lampreias, até os próprios seres humanos. Essa descoberta foi inesperada, pois esses animais possuem corpo muito diferente. Mas agora os cientistas em

I OS

MESMOS

GENES

Os genes H ox atuam

BÁSICOS

...

Cromossomo

Genes Hox das drosófilas

como chave mestra, ativando grupos de outros genes que

Gene Antp

orientam a formação de segmentos distintos no corpo de um animal.

-

= C'l

GenesHoxdo camundongo

=

-------?~ •• ------~

Todas as espécies, desde ';:li

as moscas, passando pelos camundongos,

até os seres humanos, herdaram seus genes Hox de um ancestral comum.

FONTE: SEAN B. CAAROll, UNfVERSrrv OF WlSCONSIN-MADISQN ILUSTRAÇÕES DE JOHN BURGOYNE

128

NATIONAL

Os genes Hox, que atuam ao longo do corpo de um animal em uma ordem específica, desde a cabeça até o dorso, estão agrupados nos cromossomos do animal exatamente na mesma ordem.

GEOGRAPHIC

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Cada um dos genes Hox das drosófilas atua tanto sozinho como em conjunto em uma parte do embrião que vai se tornar um segmento distinto; o tórax (em vermelho), por exemplo, está sob o controle do gene Hox chamado Antp.

Vertebrados, como O camundongo, não têm segmentos, e sim partes do corpo que são especificadas pelos genes Hox. O Hox c6 uma versão do Antp - controla a formação do tórax, que contém o coração e os pulmões do animal.


I~

cão, mais tarde, nos insetos, esses órgãos respiratórios transformaram-se em asas. Os mais antigos fósseis de insetos preservam asas que se originam de muitos segmentos. Mais tarde, os insetos desativararn os genes construtores de asas em quase todos os segmentos - ou então reaproveitaram os mesmos genes para a elaboração de novas estruturas. As moscas, por exemplo, têm um único par de asas; um outro par transformou-se em estruturas em forma de clave denominadas balancins, que ajudam na manutenção do equilíbrio durante o vôo. "Os segmentos todos se tornaram diferentes, os apêndices todos se diferenciaram, mas o processo pelo qual os apêndices são produzidos é o mesmo': comenta Sean CarroIl. ''A evolução atua por meio de reformas que improvisa com os recursos disponíveis:' COMO

GANHAMOS

UMA

CABEÇA

A cabeça humana é, milímetro por milímetro, a parte mais complexa de nosso corpo. Não apenas contém o nosso cérebro mas quase todos os órgãos dos sentidos: os olhos, os ouvidos, o nariz e a língua. Existem milhares de variações em torno desse mesmo tema - basta pensar nos tubarões-martelo, nos tamanduás e nos tucanos. Todas essas cabeças se mostram ainda mais as-

... MUITAS Camundongo

Ganso

VARIAÇÕES Píton

sombrosas quando examinamos duas criaturas marinhas simples que são os parentes vivos mais próximos dos vertebrados (ou seja, dos animais com coluna vertebral). Esses organismos simplesmente não têm cabeça. Mas em seus genes já existem os elementos precursores de uma. Os larváceos, minúsculos animais gelatinosos, vivem em uma casa flutuante que constroem com o próprio muco. Seu sistema nervoso, se é que ele pode ser chamado assim, está organizado em torno de um primitivo cordão nervoso dorsaL Ainda mais estranhas são as suas primas, as ascídias. Estas nascem como uma larva nadadora, com um bastão rígido na cauda. Quando se tornam adultas, fincam o bastão no fundo do mar, devoram grande parte de seu sistema nervoso e transformam seu corpo em um cesto adaptado à filtragem de partículas nutritivas. À primeira vista, parece improvável que tais criaturas possam fornecer alguma pista sobre a origem da cabeça dos vertebrados. No entanto, um exame mais detalhado da ponta dianteira mais rígida dos larváceos e das ascídias revela um pequeno órgão similar ao cérebro bem onde um vertebrado teria a cabeça. "Há cerca de 360 células neurais ali. Em comparação com o cérebro de um vertebrado, isso não é nada", diz o biólogo William Jeffery. Todavia, os cientistas constataram um padrão familiar no modo como se desenvolve esse minúsculo grupo de células. Há mais de meio bilhão de anos, nossos próprios antepassados sem cabeça podem ter sido parecidos com essas modestas criaturas, já dotadas dos genes e das células que mais tarde formariam o rosto e o cérebro que nos fazem seres humanos. CAPTANDO

As proporções corporais podem se alterar em conformidade com os genes Hox especijicos que estão ativos. O mesmo gene Hox c6 atua em

diferentes pontos ao longo do corpo. Como esse gene demarca os limites do tórax, espécies diferentes acabam com pescoços de comprimentos variados - curto no camundongo, longo no ganso e, no caso da piton, sem nenhum pescoço.

A

LUZ

Charles Darwin estava bem familiarizado com a refinada estrutura do olho - o modo como a lente está posicionada para focalizar a luz sobre a retina, a maneira como a íris controla a quantidade de luz que entra no olho. Na época parecia que um olho de nada serviria caso sua estrutura apresentasse alguma imperfeição. Em A Origem das Espécies, Darwin escreveu que a idéia de a seleção natural ter produzido o olho "parece, não temo confessar, absurda no mais alto grau". No entanto, o fato (Continua na página 134) EVOLUÇÃO

129


GÊNERO

SAJMfRf

MACACO-DE-CHEIRO

o macaco-de-cheiro

(esqueleto manchado, acima) e a

tartaruga-de-casco-mole

(à direita) eram no início parecidos.

Na maioria dos animais, os genes Hoxsão ativados no começo do desenvolvimento

do embrião. Como na quadrícula

de um cartógrafo, os genes dividem o embrião informe em compartimentos, estruturas

a partir dos quais tomarão forma as

especializadas - costelas, vértebras, olhos, cabeça.

"O macaco tem um projeto de corpo típico dos vertebrados, com o acréscimo de uma longa cauda'; diz o biólogo Sean Carroll. ''A tartaruga é tão diferente devido a adaptações óbvias - nadadeiras, carapaça. Mas eles partilham a mesma arquitetura

básica. São variações sobre o mesmo terna:'

TARTARU~A-DE-CASCO-MOLE

130

NATIONAL

GEOGRAPHIC

• NOVEMBRO

2006


PROJETOS

APALONf

DE

CORPO

SPfNIFERA, FOTOGRAFADA NO NORTH CAROLINA STATE MUSEUM QF NATURAL SCIENCES

EVOLUÇÃO

131


ORTHOPORUS

132

NATIONAL

ORNATUS,

FOTOGRAFADAS

GEOGRAPHIC

NO

NORTH

CAROLINA

STATE

• NOVEMBRO

MUSEUM

2006

OF NATURAL

SC\ENCES


SEGMENTOS

VERSÁTEIS

LACRAIAS

DO

DESERTO

Eles têm pernas - um monte delas. Os artrópodes, o grupo com esqueleto externo rígido que inclui cerca de 800/0. de todos os animais vivos, foram bem equipados com membros. Mas, enquanto as lacraias (à esquerda) exibem pares quase idênticos de pernas para locomoção, os límulos, como o caranguejo-real

(abaixo), são uma espécie de canivete suíço em termos

de membros articulados - os quais servem para andar, nadar, agarrar e defender-se. Todavia, o mesmo grupo antigo de genes Hox comanda o desenvolvimento

de todos os artrópodes.

O tipo de membro que um segmento vai adquirir depende do gene Hox que atua ali, e de como a evolução reformulou

as partes indistintas para adequá-Ias a novas necessidades.

LlMULUS POLYPHEMUS, FOTOGRAFADO NO MAR1NE B10lOG1CAlLABORATORY

DE WOOOS HOlE

LIMVLO

EVOLUÇÃO

133


é que o olho está longe de ser perfeito. Nos seres humanos, a retina está presa de forma tão precária no fundo do olho que basta um golpe mais forte na cabeça para que se descole. Suas células de captação da luz estão voltadas para dentro, para o cérebro, e não para o orifício de entrada da luz. E o nervo óptico começa diante da retina e em seguida passa através dela a fim de alcançar o cérebro. O local em que o nervo óptico atravessa a retina é o ponto cego na visão. A evolução, com todos os tropeços, foi a responsável pelo desenvolvimento do olho. Como isso ocorreu? Uma resposta satisfatória tem de dar conta disso não só em nosso próprio olho mas em todos os olhos do reino animal. Pouco tempo atrás, havia indícios de que os olhos de diferentes tipos de animal- insetos, gatos e polvos, por exemplo deviam ter evoluído de forma independente, tal como ocorrera com as asas das aves em contraste com as dos morcegos. Afinal, são enormes as distinções entre, por exemplo, um olho humano e um olho de mosca. Diferentemente do humano, com sua lente única e sua retina, o olho das moscas é formado de milhares de minúsculas colunas, cada qual abrangendo uma fração ínfima do campo de visão do inseto. E enquanto nós, os vertebrados, captamos a luz através de células fotorreceptoras ciliares (por causa de suas projeções parecidas com pêlos ou cílios), os insetos e outros invertebrados usam fotorreceptores rabdóides, ou seja, células multifacetadas. Recentemente, contudo, essas diferenças fo-

EVOLUÇÃO

DO

Os cientistas achavam que os olhos dos animais passaram por evoluções independentes. Agora as pesquisas indicam que os genes formadores dos olhos surgiram uma única vez em um ancestral de todos os animais. A evolução pôs outros genes sob o controle desses gerresprimordiais do olho, os quais, juntos, produziram os olhos mais variados, como estes de diferentes espécies de molusco. 134

NATIONAL

GEOGRAPHIC

ram se atenuando à medida que os cientistas passaram a estudar os genes que formam os fotorreceptores. Os insetos e os seres humanos recorrem aos mesmos genes para controlar no embrião a transformação das células em fotorreceptores. E ambos os tipos de fotorreceptor captam a luz graças a moléculas conhecidas como opsinas. Esses vínculos sugerem que os fotorreceptores - nas moscas, nos seres humanos e na maioria dos animais - evoluíram todos de um único tipo de célula que por fim se dividiu em dois tipos novos de célula. Se isso se comprovar, alguns animais poderiam contar com ambos os tipos de células fotorreceptoras. E, em 2004, os cientistas constataram que o poliqueto Platynereis dumerilii, um parente aquático das minhocas, possui fotorreceptores rabdóides em seus olhos e fotorreceptores ciliares ocultos em seu minúsculo cérebro, onde detectam variações de luminosidade de modo a regular o relógio interno do verme. Com essas descobertas, está surgindo novo quadro da evolução do olho. Os olhos primitivos eram provavelmente muito semelhantes aos que hoje achamos em criaturas marinhas gelatinosas, como os tunicados: pequenas cavidades revestidas de células fotorreceptoras, suficientes para detectar a luz e informar de onde ela vem. Porém, esses olhos simplificados são obra dos mesmos genes que formaram os nossos olhos, e dependem das mesmas opsinas para a captação da luz. Em seguida, a evolução recorreu aos mesmos genes para modelar olhos mais sofisticados, que

OLHO

.~

~Lapa

Mykadotrochusbeyrichii

Células .,~. fotossensíVej~

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.

Fíbras Fibras

nervos>:::"S_Jif?·0S/

Protegido por uma camada de células transparentes, este olho simplificado não consegue formar imagens, mas detecta luz com células fotossensíveis.

Uma cavidade ocular profunda proporciona mais informação sobre a direção da fonte luminosa, mas não cria nenhuma imagem.

• NOVEMBRO

2006


em algum momento acabaram adquirindo uma lente capaz de transformar os raios luminosos em imagem. A lente, cristalino, é feita de proteína translúcida que desvia OB raios de luz como se fosse "vidro protéico" nas palavras de um cientista. E já se comprovou que as proteínas do cristalino existiam bem antes de a evolução aproveitá-Ias para aperfeiçoar o olho. Elas estavam apenas encarregadas de outras tarefas. Os cientistas detectaram uma dessas proteínas translúcidas, por exemplo, no sistema nervoso central das ascídias. Porém, neste caso, em vez de formar uma lente, elas são parte de um órgão de detecção da gravidade. É possível que uma mutação tenha feito com que células no primitivo olho dos vertebrados também formassem o cristalino. Ali elas acabaram fazendo algo novo e extraordinariamente útil: pôr o mundo em foco.

°

NADADEIRAS.

BRAÇOS

E

PERNAS

Repare em seus braços enquanto segura esta revista. Eles são de uma complexidade extraordinária, dezenas de ossos esculpidos com precisão, ligados entre si por tendões e músculos, alimentados com sangue por uma malha de artérias, controlados por uma intricada rede de neurônios e revestidos de pele. Até cerca de 380 milhões de anos atrás, membros assim não existiam. Os fósseis e os embriões já proporcionaram inúmeras pistas para entendermos a evolução dos membros. E todas elas contam a mesma história. "Os membros se formaram pouco a pouco ao

longo do processo evolutivo", diz o paleontólogo Neil Shubin. "Não surgiram da noite para o dia." Há cerca de 400 milhões de anos, apareceu nova linhagem de peixes com nadadeiras lobuladas, denominados crossopterígios, que apresentava os primeiros vislumbres de membros. Vistos de fora, tais peixes eram parecidos com os outros e também usavam nadadeiras para se locomover, mas os ossos delas eram maiores e musculosos. No decorrer de dezenas de milhares de anos, desenvolveram-se novas famílias de crossopterígios, nas quais começaram a adquirir forma membros verdadeiros. O Eusthenopteron, um peixe que vivia há 385 milhões de anos e cujo fóssil foi achado no Canadá, tinha nadadeiras dotadas de um grande osso com feitio de haste ligado a um par de ossos menores - o mesmo padrão de ossos compridos hoje presentes em nossos braços e pernas. O Tiktaalik roseae, um crossopterígio de 375 milhões de anos, descoberto recentemente no norte do Canadá por Shubin e seus colegas, também possuía ossos similares aos do tornozelo e do pulso. Os cientistas acham que o Tiktaalik usava as nadadeiras não só para nadar mas também para rastejar em manguezais. Por volta de 365 milhões de anos atrás, os crossopterígios haviam evoluído e se transformado em vertebrados com membros genuínos, conhecidos como tetrápodes, o que significa quatro pés. Esses tetrápodes tinham até mesmo dedos na extremidade dos membros, embora ainda estivessem bem adaptados à (Continua na página 142)

Náutilo

Nervo óptico_"1':7{'iif

Camada fotossensível (retina)

A abertura no topo da câmara ocular atua como orifício de pupila que foca a luz sobre uma retina rudimentar de modo a formar imagens indistintas.

o fluido em uma cavidade ocular interna atua como lente, focando a luz 1Vl retina de modo a criar imagem mais nítida.

Uma visão acurada é proporcionada por um olho complexo dotado de córnea protetora, íris colorida e lente focalizadora.

fONTES; MICHAEL F. LAND E DAN-ERIC NIlSSON, ANIMAL EYES; MONROE W. STRICKBERGER, EVOLunON.llUSTRAÇOES

DE JOHN BURGOYNE


r I

FORMANDO

AéQUIPECTEN

\36

NATIONAL

IRRADIANS,

FOTOGRAFADA

GEOGRAPHIC

NA WESTERN

FOUNOATION

• NOVEMBRO

QF VERTEBRATE

2006

OLHOS

ZOOlOGY


SPHYRNA T1BUFfOE MOLA LANCEOLATA, FOTOGRAFADOS NO NORTH CAROLINA STATE MlJSElJM DF NATURAL SC1ENCES

CAÇÃO-MARTELO E PEIXE-LUA

Os ocelos azuis de uma vieira (à esquerda) - que captam a luz em uma superfície espelhada - e os complexos olhos encontrados

em vertebrados,

como o cação e o peixe-lua

(acima), evoluíram todos do mesmo dispositivo básico para captação de luz. Genes estreitamente o desenvolvimento que partilham

associados controlam

inicial em ambos os olhos, um sinal de

o mesmo ancestral. "Os tipos de olho são de

tal modo diferentes que os cientistas pensavam que haviam evoluído de maneira independente",

em mais de 40 ocasiões

distintas, diz o biólogo Todd Oakley. O que tornou possível as alterações? "A duplicação teve o seu papel", diz ele. "Se dois genes se modificam para cumprir a mesma tarefa, um deles fica livre para experimentar

algo novo."

VIEIRA-DE-BAtA

EVOLUÇÃO

137


GOURA SCHEEPMAKERf,

138

NATIONAL

FOTOGRAFADA

GEOGRAPHIC

NA WESTEAN

FOUNDATrON

• NOVEMBRO

OF VEATEBRATE ZOOlOGY

2006


ESCAMAS

E

PENAS

POMBA-COROADA

As penas de uma pomba-coroada (abaixo) originam-se dos

mesmos

(à esquerda) e as escamas nos pés de uma galinha-d'angola discos de células, chamados placódios, durante o crescimento

dos embriões. "Não foi uma evolução direta das escamas às penas", diz o ornitologista

Richard

Prum, "mas, em um âmbito mais amplo, as penas e as escamas têm a mesma origem." Entre os dinossauros ancestrais das aves, a evolução modificou os sinais genéticos que instruíam os placódios para que formassem escamas - e surgiram as primeiras penas. Elas adquiriram características que atendem às necessidades das aves, como os ganchos nas barbas de algumas penas que fazem com que grudem, formando superfícies resistentes que possibilitam o vôo.

, I

~

I

ACHYLLlUM VULTURINUM, FOTOGRAFADA NO MARINE BIOlOGICAlLABORATQRY

DE WQODS HOLE

GALINHA-D'ANGOI,A-VULTURINA

EVOLUÇÃO

139


rr

CIONA INTESTINAL/S, FOTOGRAFADO LABORATORV

DE WQODS

NO MAfllNE

BIOlOGICAl

HOLE

ASClDIO

"A cabeça, com todas as suas partes, é uma invenção dos vertebrados", mas ela não surgiu do nada, diz o biólogo William Ieffery. Um ascídio Ciona intestinalis (acima) - uma criatura sem cabeça que se alimenta por filtragem e é um de nossos parentes invertebrados

mais próximos - possui

células similares às da crista neural que forma os ossos do crânio e os dentes tanto de um leão (à direita) como dos seres humanos. Nos ascídios, tais células produzem

os

pigmentos que dão cor aos anéis em torno dos orifícios oral e anal do animal. Os cientistas acreditam que essas células surgiram há centenas de milhões de anos, antes de vertebrados

e invertebrados

seguirem caminhos distintos.

LEÃO

140

NATIONAL

GEOGRAPHIC

• NOVEMBRO

2006


I

t==========================================================~ A

FORMAÇÃO

DE

UMA

CABEÇA

PANTHERA LEO

EVOLUÇÃO

141


água, preservando

de seus antepassados as brân-

quias e a cauda natatória. Mais tarde apareceriam

os animais 100% terrestres. E, depois, tetrápodes tomaram o projeto básico dos membros e o adaptaram a novas fun'rões - escavar, remar e voar. Nos laboratórios estão sendo identificados os genes responsáveis pela formação dos membros. Nos peixes primitivos, a evolução deve ter emprestado esses genes, redirecionando-os para a formação de nadadeiras. Mais adiante, sutis mutações nos padrões estabelecidos pelos mesmos genes fizeram com que tais apêndices se transformassem em pernas, braços, asas. Cada mutação foi profunda. No entanto, como diz Shubin, "toda a maquinaria já estava instalada': A

PROSA

DE

UMA

PENA

Em termos de engenharia, é difícil superar a pena de vôo das aves. A partir de um eixo central, o raque, nascem centenas de filamentos, denominados barbas. Estas, por sua vez, produzem filamentos menores, as bárbulas, das quais algumas possuem sulcos e outras ganchos, que unem as barbas com o mesmo sistema do velero. Com isso criam uma superfície plana e leve que torna possível o vôo. Quando as aves afastam as penas umas das outras para limpá-Ias, as barbas grudam de novo sozinhas quando voltam a se encostar. As penas também cumprem outras funções. O manaquim-de-asa-torta, um pássaro do tamanho do pardal encontrado nas selvas do Equador, consegue sacudir as penas das asas com tanta força que elas produzem um som melodioso. As penas da coruja favorecem o vôo furtivo, atenuando O som de modo que a ave possa surpreender suas presas. As penas de lanugem felpuda mantêm aquecidas as aves, ao passo que os penachos com curvas extravagantes servem para atrair parceiros. Todas essas estruturas têm a mesma origem nas prosaicas escamas dos répteis - urna travessia evolutiva que vem sendo estudada pelo ornitólogo Richard Prum, da Universidade Yale. O vínculo entre penas e escamas é evidente no desenvolvimento dos embriões de aves. Discos de células denominados placódios estão distribuídos pela superfície do embrião. Alguns se transformam em escamas, como aquelas que recobrem as pernas da galinha. Outras viram penas. 142

NATIONAL

GEOGRAPHIC

• NOVEMBRO

2006

Nos embriões de répteis, genes específicos demarcam a frente e o verso de cada escama à medida que esta cresce a partir de um placódio. Nos embriões das aves, cada pena começa como um eixo tubular que cresce de um placódio, e nesse eixo estão igualmente presentes aqueles genes que determinam a frente e o verso das escamas. Há cerca de 150 milhões de anos, segundo Prum, esses mesmos genes devem ter desempenhado novas funções nos dinossauros, fazendo com que alguns deles adquirissem penas e estruturas similares a penas como aquelas reveladas em fósseis recém-descobertos. O surgimento de barbas ramiformes foi a etapa seguinte na evolução da pena, argumenta Prum, e o desenvolvimento de penugens nos filhotes de aves nos proporciona pistas sobre o modo como isso ocorreu. À medida que cresce novo eixo de pena, ele se divide em faixas, que acabam se descolando e formando as barbas. Mais tarde, as aves adquiriram a capacidade de transformar essas penas penugentas em penas com barbas e, em seguida, de fazer com que grudassem umas nas outras, formando as penas de vôo, tudo isso por meio das ínfimas alterações genéticas que constituem o objeto da pesquisa de Prumo E introduzindo alterações no desenvolvimento de cada parte da pena as aves desenvolveram plumagens específicas para a caça, a natação, o acasalamento e outras atividades, comenta Prumo "Tudo o que a ave necessita ao longo de sua vida ela é capaz de produzir com a mesma informação genética básica:' FLORESCIMENTO

PRECOCE

Como tantos outros cavalheiros vitorianos, Charles Darwin tinha especial predileção pelo cultivo de plantas. Ele lotou sua estufa com dróseras, prímulas e apanha-moscas. Também tinha orquídeas, enviadas dos trópicos. E, no entanto, como escreveu a um amigo em 1879, para ele as flores continuavam sendo "um mistério abominável". Darwin estava se referindo ao súbito e inesperado surgimento das flores nos registros fósseis. E o que tornava ainda mais abominável o mistério era a requintada complexidade das flores. Tipicamente, estas possuem verticilos de pétalas e sépalas em torno dos órgãos sexuais masculinos


r I I

f

e femininos das plantas. Muitas também produzem pigmentos brilhantes e néctar adocicado para atrair os insetos, responsáveis pelo transporte do pólen entre uma flor e outra. Atualmente o mistério das flores já não é tão abominável, mas ainda restam dúvidas. É possível que as primeiras flores tenham se desenvolvido depois que as plantas florescentes se separaram de seus parentes vivos mais próximos, as gimnospermas - um grupo que inclui os pinheiros e outras coníferas, as cicadáceas e os gincos -, que produzem sementes, mas não florescem. Algumas das pistas mais importantes dessa transição estão nos genes que atuam toda vez que há fiorescimento em uma planta. Sabe-se agora que, antes de uma flor adquirir sua forma, conjuntos de genes demarcam um mapa invisível na extremidade do estame - o mesmo tipo de mapa existente nos embriões de animais. Como muitas vezes ocorre no caso de estruturas complexas, os genes que formam as flores são mais antigos que as próprias flores. As gimnospermas possuem genes de florescimento mesmo que não produzam flores. Os cientistas ainda precisam determinar a função de tais genes nas gimnospermas, mas a presença deles indica que provavelmente já existiam no ancestral comum das gÍmnospermas e das plantas florescentes. Na linhagem destas últimas, esses genes foram mobilizados para demarcar a estrutura da flor. As primeiras flores eram simples. Mas, ao longo do tempo, os genes se duplicaram acidentalmente, permitindo que uma das cópias assumisse novo papel no desenvolvimento das flores. Estas tornaram-se cada vez mais complexas, e algumas de suas partes adquiriram novas funções, como atrair insetos com cores vivas e aromas distintos. Essa flexibilidade talvez ajude a explicar o êxito das plantas florescentes. Hoje são conhecidas cerca de 250 mil espécies de angiospermas. As gimnospermas, suas parentes sem flores, ficaram limitadas a pouco mais de 800 espécies. COMPtEXIDADE

EM

PEQUENA

ESCALA

Algumas das estruturas mais extraordinárias da vida também são as de menor dimensão: a ínfima relojoaria das moléculas que asseguram o funcionamento das células. A E. coli, uma bactéria

presente no intestino, movimenta-se graças a uma minúscula cauda giratória, constituída de várias dezenas de proteínas distintas que atuam de maneira coordenada. Comparando as proteínas do flagelo com as existentes em outras estruturas da bactéria, Mark Pallen e seus colegas da universidade inglesa de Birmingham descobriram indícios do modo como esse intricado mecanismo foi montado com base em elementos mais simples. Por exemplo, a E. coli constrói o seu flagelo com uma espécie de bomba que ejeta proteínas. A bomba é quase igual, em termos de suas proteínas, a outra bomba encontrada em muitas bactérias causadoras de doenças, que a usam não para produzir uma cauda, mas para formar uma espécie de seringa molecular que injeta toxinas em células hospedeiras. Tal similaridade é, nas palavras de Pallen, "um eco da história, pois elas possuem um ancestral comum': Os biólogos já identificaram dezenas de tipos diferentes de flagelos em várias cepas de bactérias. Algumas caudas são espessas, outras são finas; algumas estão acopladas à extremidade da célula, outras emergem de suas laterais; algumas são movidas por íons de sódio, outras por íons de hidrogênio. É exatamente esse o tipo de variação que se espera seja produzido pela seleção natural quando esta molda uma estrutura às necessidades específicas de diferentes organismos. Darwin também argumentou que as características complexas podem degenerar ao longo do tempo. Os avestruzes descendem de aves voadoras, por exemplo, mas suas asas se tornaram inúteis ao vôo à medida que se transformaram em corredores em tempo integral. E sabe-se agora que as caudas microbianas também podem virar apenas um vestígio. Embora se considere que a E. coli produza apenas um tipo de cauda, ela também possui resquícios de genes capazes de formar um segundo modelo. "É de se esperar tal tipo de bagagem histórica', comenta Pallen. A evolução, implacável e pragmática, pode gerar as estruturas mais extraordinárias e, depois, descartá-Ias assim que deixam de ser úteis. O 1\ Mistérios da vida Saiba mais sobre os caminhos da evolução a origem

em uma galeria de fotos e opine sobre

do homem

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Uma nadadeira é um braço é uma asa