Durante décadas, muitos biólogos evolucionistas acreditaram que a maioria das alterações genéticas que formam genes e proteínas eram neutras. De acordo com esta visão, as mutações geralmente não são benéficas nem prejudiciais, permitindo que se espalhem silenciosamente, sem grande vantagem ou rejeição pela seleção natural.
Um novo estudo da Universidade de Michigan desafia esta suposição de longa data e sugere que a evolução pode funcionar de uma forma muito diferente da que se pensava anteriormente.
Repensando a teoria neutra da evolução
À medida que as espécies evoluem, ocorrem mutações genéticas aleatórias. Algumas destas mutações tornam-se fixas, o que significa que se espalham até que todos os indivíduos da população tenham sofrido a mudança. A teoria neutra da evolução molecular afirma que a maioria das mutações que atingem este estágio são neutras. As mutações prejudiciais são rapidamente eliminadas, enquanto as benéficas são consideradas extremamente raras, explica o biólogo evolucionista Jianzhi Zhang.
Zhang e seus colegas decidiram testar se essa ideia resistiria a um exame mais minucioso. Seus resultados apontaram para um problema maior. 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 são fixadas nas populações é muito menor do que seria de esperar se tantas mutações benéficas fossem fixadas.
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 confere uma vantagem num determinado cenário pode tornar-se deletéria quando as condições mudam. Como o ambiente muda frequentemente, muitas mutações benéficas nunca se espalharam suficientemente para se estabelecerem.
O estudo, que foi apoiado pelos Institutos Nacionais de Saúde dos EUA, foi publicado em Ecologia da natureza e evolução.
“Dizemos 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 perfeitamente adaptadas 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 se adaptam perfeitamente ao seu ambiente.
O que isso significa para humanos e outras espécies
Zhang acredita que as descobertas têm implicações de longo alcance, inclusive para os humanos. O ambiente de hoje é drasticamente diferente daquele que os nossos antepassados viveram, 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. Por exemplo, os humanos. O nosso ambiente mudou muito e os nossos genes podem não ser os melhores para o ambiente moderno porque passámos por muitos outros ambientes. Algumas mutações podem ser úteis no nosso ambiente antigo, mas não adequadas para o ambiente de hoje”, disse Zhang.
Ele acrescentou que a adaptação de uma população depende de quão recentemente seu ambiente mudou.
“Sempre que olhamos para uma população natural, dependendo de quando foi a última vez que o ambiente mudou muito, a população pode estar muito mal adaptada ou pode estar relativamente bem adaptada. Mas provavelmente nunca veremos qualquer população que esteja completamente adaptada ao seu ambiente, porque a adaptação completa levará mais tempo do que quase qualquer ambiente natural pode permanecer inalterado.”
Como os cientistas estudaram mutações benéficas
A teoria neutra da evolução molecular foi introduzida 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. Nestas experiências, os investigadores criaram deliberadamente muitas mutações diferentes num único gene ou região do genoma em organismos como leveduras e Escherichia 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 no crescimento, os pesquisadores puderam avaliar se a mutação ajudou ou prejudicou o organismo.
Os resultados mostraram que mais de 1% das mutações foram benéficas. Essa taxa é muito maior do que a teoria neutra prevê. Se todas estas mutações benéficas 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 o ambiente permanece constante ao longo do tempo.
Testando a evolução sob condições variáveis
Para investigar 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 ao longo do mesmo número de gerações, mas num ambiente em mudança que consiste em 10 tipos diferentes de meios ou soluções de crescimento. Cada meio foi usado por 80 gerações antes de passar para a próxima.
A levedura exposta a condições flutuantes exibiu significativamente menos mutações benéficas do que a levedura num ambiente estável. Mesmo quando surgiram mutações benéficas, raramente duraram o suficiente para se espalharem antes que as condições mudassem novamente.
“É daí que vem a controvérsia. Embora vejamos muitas mutações benéficas num determinado ambiente, estas mutações benéficas não têm oportunidade de se corrigirem, porque quando a sua frequência aumenta até um certo nível, o ambiente muda”, disse Zhang. “Essas mutações benéficas no ambiente antigo podem se tornar 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. 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 mais estudos para compreender melhor porque é que os organismos demoram tanto tempo a adaptar-se totalmente, mesmo quando as condições ambientais permanecem estáveis.
Outros autores do estudo incluem os antigos estudantes de pós-graduação da UM, Siliang Song e Xiukang Shen, e o antigo estudante de doutoramento da UM, Piao Piao Chen.
