Durante décadas, muitos biólogos evolucionistas acreditaram que a maioria das alterações genéticas que moldam os genes e as proteínas são neutras. De acordo com esta visão, as mutações geralmente não são benéficas nem prejudiciais, permitindo-lhes espalhar-se silenciosamente sem serem fortemente favorecidas ou rejeitadas pela seleção natural.
Um novo estudo da Universidade de Michigan desafia esta suposição de longa data e sugere que a evolução pode funcionar de forma muito diferente do que se pensava anteriormente.
Repensando a Teoria Neutra da Evolução
À medida que as espécies evoluem, surgem mutações genéticas aleatórias. Algumas dessas mutações são fixas, o que significa que se espalham até que todos na população sejam portadores da mudança. A teoria neutra da evolução molecular sustenta que a maioria das mutações que atingem este estágio são neutras. O biólogo evolucionista Zhang Jianzhi explica que as mutações prejudiciais são rapidamente eliminadas, enquanto as mutações benéficas são consideradas extremamente raras.
Zhang e seus colegas decidiram testar se a ideia se sustentava após um exame mais detalhado. Seus resultados apontam para um grande problema. Os pesquisadores descobriram que mutações benéficas ocorrem com muito mais frequência do que permite a teoria neutra. Ao mesmo tempo, observaram que a taxa global à qual as mutações se fixavam na população era muito inferior ao esperado se ocorressem tantas mutações úteis.
Por que as mutações benéficas tendem a não durar
Para explicar esta contradição, a equipa de investigação propôs uma nova explicação decorrente das mudanças ambientais. Mutações que proporcionam uma vantagem num ambiente podem tornar-se prejudiciais quando as condições mudam. Como os ambientes mudam frequentemente, muitas mutações benéficas nunca se espalham o suficiente para se tornarem fixas.
O estudo foi apoiado pelos Institutos Nacionais de Saúde e publicado em ecologia natural e evolução.
“Dizemos que o resultado é neutro, mas o processo não é neutro”, disse Zhang, professor de ecologia e biologia evolutiva na Universidade de Michigan. “Nosso modelo mostra que as populações naturais não se adaptam realmente ao seu ambiente porque o ambiente muda muito rapidamente e a população está sempre perseguindo o meio ambiente”.
Zhang chama essa estrutura de “rastreamento adaptativo com pleiotropia antagônica”. Esta ideia ajuda a explicar porque é que os organismos raramente combinam perfeitamente com o seu ambiente.
O que isso significa para humanos e outras espécies
Zhang acredita que essas descobertas têm amplas implicações, inclusive para os humanos. Os ambientes modernos são muito diferentes daqueles vividos pelos nossos antepassados, o que pode ajudar a explicar por que algumas características genéticas já não nos servem tão bem como antes.
“Penso que isto tem amplas implicações. Para os seres humanos, por exemplo. O nosso ambiente mudou muito e os nossos genes podem não ser os mais adequados para o ambiente de hoje porque experimentámos muitos outros ambientes diferentes. Algumas mutações podem ser benéficas no nosso antigo ambiente, mas não correspondem aos de hoje”, disse Zhang.
Ele acrescentou que a medida em que uma população se adapta depende das mudanças recentes no seu ambiente.
“A qualquer momento, quando olhamos para uma população natural, a população pode estar muito mal adaptada ou relativamente bem adaptada, dependendo de quando o ambiente sofreu uma grande mudança pela última vez. Mas podemos nunca ver qualquer população que esteja totalmente adaptada ao seu ambiente porque o tempo necessário para uma adaptação total é maior do que seria necessário para que quase qualquer ambiente natural permanecesse inalterado.”
Como os cientistas estudam mutações benéficas
A teoria neutra da evolução molecular foi proposta na década de 1960, quando os avanços na sequenciação de proteínas e genes permitiram aos cientistas estudar a evolução a nível molecular, em vez de se concentrarem 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 varreduras profundas de mutações geradas por seu próprio laboratório e outros. Nessas experiências, os pesquisadores criaram deliberadamente muitas mutações diferentes dentro de um único gene ou parte do genoma de organismos como leveduras e E. coli.
Eles então acompanharam os organismos ao longo de muitas gerações e compararam seu crescimento com o do tipo selvagem, ou com as formas mais comuns encontradas na natureza. Ao medir as diferenças no crescimento, os investigadores podem estimar se as mutações ajudam ou prejudicam um organismo.
Os resultados mostraram que mais de 1% das mutações foram benéficas. Essa proporção é muito maior do que a prevista pela teoria neutra. Se todas essas mutações úteis fossem corrigidas, quase todas as mudanças genéticas seriam benéficas e a evolução ocorreria muito mais rápido do que os cientistas realmente observam. Essa constatação levou a equipe a questionar a suposição de que o ambiente permanece constante ao longo do tempo.
Teste a evolução em um ambiente 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 com ambientes em mudança, consistindo em 10 tipos diferentes de meios ou soluções de crescimento. Cada meio foi usado por 80 gerações antes de mudar para o próximo.
A levedura exposta a condições variáveis apresentou muito menos mutações benéficas do que a levedura num ambiente estável. Mesmo quando surgem mutações benéficas, elas raramente persistem o tempo suficiente para se espalharem até que as condições mudem novamente.
“Esta é a fonte da inconsistência. Embora observemos muitas mutações benéficas num determinado ambiente, estas mutações benéficas não têm hipótese de serem reparadas porque quando a sua frequência aumenta até um certo nível, o ambiente muda”, disse Zhang. “Essas mutações benéficas no antigo ambiente podem tornar-se prejudiciais no novo ambiente”.
Limitações 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. Dados de organismos multicelulares são necessários para determinar se o mesmo padrão se aplica a vidas mais complexas, incluindo os humanos.
A equipa de investigação está atualmente 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, Song Siliang e Shen Xukang, e o antigo investigador de pós-doutoramento da UM, Chen Piaopiao.
