YouTube

Artigos Recentes

A transição evolutiva de unicelular para multicelular é mais fácil do que você pensa


Compartilhe o artigo:



           Há bilhões de anos, um passo evolutivo crucial foi feito para permitir o surgimento de seres cada vez mais complexos até chegarmos às plantas e aos animais: a passagem da vida unicelular para a vida multicelular. Até poucas décadas atrás, os pesquisadores não sabiam ao certo como esse processo pôde ter ocorrido, e qual o grau de dificuldade envolvido. Mas estudos em anos recentes vêm revelando cada vez mais como a multicelularidade surgiu, e mostrando que o processo evolutivo foi mais fácil do que se supunha. Aliás, pesquisadores já conseguiram evoluir seres unicelulares para multicelulares em laboratório, e via intervenções equivalentes àquelas encontradas no meio natural!

- Continua após o anúncio -



   MULTICELULARIDADE

          Em organismos multicelulares bem complexos, como os humanos, dezenas de bilhões ou trilhões de células estão unidas em prol do funcionamento de um único organismo, com cada uma delas possuindo uma função específica no corpo e limitando sua própria multiplicação em prol do bem comum. Em contraste, temos seres como as bactérias e protozoários que possuem apenas uma célula, a qual fica responsável por todas as funções do espécime, cuja única preocupação é em se alimentar e se replicar, e ficando, no geral, não necessitando de qualquer coordenação ou cooperação com outras células da sua espécie para sobreviverem. Como, então, ocorreu a passagem de uma vida tão simples para uma tão complexa e organizada? Se os seres unicelulares mostram-se tão bem adaptados, por que se juntarem em massas celulares especializadas?

          Bem, com a multicelularidade, novas habilidades foram conquistadas, como inovativas e eficientes formas de locomoção, alimentação e mecanismos de proteção, o que possibilitou o domínio de diversos habitats, abrindo inclusive uma porta de expansão para os unicelulares. No geral, as transições para a multicelularidade estão associadas com uma rápida diversificação e aumento da oportunidade ecológica. Benefícios nós temos, mas e o gatilho inicial? Aliás, à primeira vista, seres multicelulares parecem diferir demais dos unicelulares - com exceção da estrutura celular individual -, com muitos sugerindo que um grande salto evolutivo precisou ser dado para que a transição ocorresse. Porém, evidências científicas e experimentos laboratoriais nas últimas décadas sugerem o contrário.
          Organismos unicelulares coanoflagelados, por exemplo, possuem centenas de famílias de genes antes pensados serem únicos dos seres multicelulares. Por exemplo, muitas espécies desse grupo possuem genes para a produção de enzimas tirosina cinases, as quais, em animais complexos, ajudam a controlar as funções de células especializadas, como a secreção de insulina no pâncreas. Eles também possuem reguladores de crescimento celular, como o p53, um gene fortemente ligado ao desenvolvimento de cânceres nos humanos, e genes para caderinas e lectinas do tipo-C, proteínas que ajudam as células a ficarem unidas e manterem um tecido intacto. Ainda não se sabe porque esses seres unicelulares possuem tais genes, mas eles são, sem sombra de dúvidas, ótimos modelos de ancestralidade dos multicelulares. Porém, os coanoflagelados não possuem genes cruciais para a multicelularidade, incluindo fatores de transcrição como o Pax e o Sox, importantes para o desenvolvimento de animais, ou seja, inovações genéticas que provavelmente surgiram ao longo da evolução dos multicelulares.



          No entanto, cientistas já encontraram, por exemplo, que o protista Capsapora possui sinalizadores de regulação genética sendo usados da mesma maneira que os animais desligam e ligam genes via mecanismos epigenéticos, incluindo a utilização de fatores de transcrição e longas cadeias de RNA que não codificam proteínas. Apesar de representarem estruturas bem mais simples de regulação - especialmente cadeias bem mais curtas -, esses seres unicelulares dão outra pista de como o início da multicelularidade ocorreu.

          Outro caso bastante interessante é entre o gênero de alga verde Volvox (multicelular) e de um parente evolutivo próximo, a alga verde Chlamydomonas (unicelular). As Volvox possuem uma estrutura esférica oca e flagelada, com indivíduos englobando entre 500 e 60000 células. Já as Chlamydomonas possuem uma única célula flagelada, e cuja reprodução ocorre por fissão binária longitudinal. Acontece que as Chlamydomonas possuem organelas chamadas de centríolos que possuem uma função dupla. Durante a maior parte da vida desses seres, os centríolos ancoram as duas estruturas flagelares que possibilitam a locomoção da célula através da água. Mas quando chega a época da reprodução - mitose celular -, a célula perde seu flagelo e os centríolos se movem na direção do núcleo, onde orientam a divisão dos cromossomos duplicados. Após a duplicação celular, cada célula-filha cresce novamente seus flagelos para recomeçar o ciclo. Em outras palavras, as Chlamydomonas não conseguem nadar e se reproduzir ao mesmo tempo.



          Por outro lado, os Volvox aproveitaram essas duas funções celulares das Chlamydomonas e as dividiram em células especializadas dentro do seu corpo multicelular. Enquanto células menores sempre possuem flagelo - ajudando na captura de nutrientes e na locomoção -, células maiores não possuem flagelo e utilizam os centríolos apenas para a reprodução e de forma contínua. Assim, elas conseguem nadar e se reproduzirem ao mesmo tempo, ganhando uma grande vantagem que as possibilitam explorar novos ambientes e desafios. Esse exemplo é outra situação mostrando que a multicelularidade parece ter ocorrido de forma gradual e facilitada, aproveitando genes já pré-existentes em células unicelulares.



          Mas nenhum desses exemplos de 'transição' se iguala ao que os pesquisadores William Ratcliff, da Georgia Tech, e Michael Travisano, da Universidade de Minnesota, conseguiram fazer.

- Continua após o anúncio -



   EVOLUÇÃO DA MULTICELULARIDADE AO VIVO

         Inicialmente, células solitárias podem formar grupos multicelulares através de dois mecanismos fundamentais e distintos: associação continuada de células-filhas seguindo uma divisão celular (ST) ou via agregação de células pré-existentes (CT). Muitos, se não a maioria, dos microrganismos são capazes de formar simples formas de multicelularidade - mas não necessariamente evoluindo ou formando um ser multicelular - usando um ou ambos os mecanismos. No entanto, todos os maiores e mais complexos organismos multicelulares confiam na ST seguindo o processo de mitose. Isso muito provavelmente se deve ao fato de que, na ST, as células se aglomerando são cópias umas das outras, enquanto que na CT temos diferentes células, agrupando múltiplas linhagens, o que aumenta as chances de inclusão de um membro não-cooperativo e perigoso.

          Nesse sentido, no final de 2009, Travisano e Tech resolveram iniciar experimentos que simulassem as condições para que vida multicelular surgisse a partir de culturas de seres unicelulares (Ref.2,3,4). A espécie de teste inicialmente escolhida foi a tão popular levedura Saccharomyces cerevisiae, aquele fungo responsável pela produção da cerveja.



          Como um pontapé inicial para que o possível processo evolutivo ocorresse, os pesquisadores selecionaram artificialmente as maiores células ou aglomerados de células de leveduras cultivadas em laboratório através de uma centrifugação de baixa velocidade em tubos de ensaio (onde 1% do fundo após a rotação era retirado, sob a premissa de que as maiores leveduras/aglomerados assentariam primeiro no fundo dos tubos).

          Depois de selecionadas, essas maiores leveduras foram transferidas para novas culturas, em um total de 10 sistemas de crescimento. O processo de centrifugação foi realizado diariamente, deixando um espaço de 24 horas para as leveduras selecionadas crescerem. Após 2 semanas, estruturas cada vez maiores semelhantes a flocos de neve começaram a ser depositadas no fundo dos tubos de ensaio durante as sucessivas centrifugações, primeiro em apenas 2 sistemas de cultura, depois em todos os 10 sistemas. Análises dessas estruturas mostraram que elas não eram apenas células de leveduras aglomeradas (CT), mas, sim, várias células de leveduras fusionadas umas com as outras porque elas tinham perdido a capacidade de se separarem completamente após a mitose (ST), ao produzirem menos da enzima que possibilita o processo de separação. Em outras palavras, elas tinham evoluído uma multicelularidade devido a mutação em um gene chave.

          Somando-se a isso, essas estruturas também começaram a se reproduzir como um organismo multicelular, com suas células dividindo-se mas não separando-se do complexo celular, e levando a um maior crescimento da estrutura. Quando um complexo de células alcançava um certo tamanho, ele acabava se fragmentando, liberando uma 'estrutura-filha'. Sim, surgiu um novo sistema reprodutivo. No começo, essas fragmentações produziam duas estruturas quase do mesmo tamanho, mas à medida que mais e mais gerações surgiam, os fragmentos formados passaram a ter uma diferença de tamanho cada vez maior, sugerindo uma estratégia evolutiva para a produção de um maior número de estruturas-filhas com o gasto de menos recursos.

          Outro processo evolutivo significativo também ocorreu. As novas leveduras multicelulares também evoluíram uma divisão de trabalho que facilitou sua fragmentação desigual. Primeiro, todas as células no complexo celular se dividiam, mas depois de centenas gerações, algumas células em cada complexo pararam de se dividir e eventualmente morriam. Essas células estavam se sacrificando para o benefício da levedura multicelular! Basicamente, as células inativas, e eventualmente mortas, se tornavam locais onde o complexo celular se fragmentava. Em outras palavras, isso sugere fortemente o início de uma especialização celular.


           Os complexos celulares ficaram maiores, as células de levedura se tornaram mais duráveis e mais elongadas, e um novo modo de reprodução evoluiu via uma rudimentar forma de especialização celular. Subsequentes análises genéticas realizadas pelos pesquisadores mostraram que os novos traços de multicelularidade surgiram nesses organismos unicelulares pareciam ser uma mistura de genes já existentes sendo aproveitados para outras funções, com genes se tornando desfuncionais (como um que ajuda as células das leveduras a se separarem completamente durante a mitose).

          Outro mecanismo que evoluiu na levedura multicelular foi uma forma de defesa contra células 'traiçoeiras', ou seja, contra aquelas células que sofriam mutações no sentido de torná-las muito diferente das outras e provavelmente menos cooperativas (o que poderia ameaçar o complexo celular como um todo). Enquanto nós humanos e outros animais temos o sistema imune para dar conta das células defeituosas, as leveduras multicelulares 'desenvolveram' um mecanismo bem simples e eficiente: como as mutações se acumulam com o tempo, as células defeituosas ou estranhas acabavam sendo encontradas nas pontas dos complexos celulares, e acabavam sendo eliminadas quando a levedura se fragmentava.

          E não para por aí! Esses fragmentos sendo liberados acabavam formando novas colônias (estruturas-filhas, lembram?), mas agora levando também novas mutações, e, consequentemente, desenvolvendo novas características únicas - tamanho e número de células, ou a frequência e localização das células suicidas, por exemplo -, e criando as condições para a seleção natural agir e fomentar ainda mais os processos evolutivos. Nesse ponto, eram os complexos celulares como um todo que estavam se adaptando, não células únicas em suas estruturas. Tínhamos, praticamente, um real ser multicelular surgindo, carregando um legítimo genótipo de multicelularidade.


          Mesmo existindo dúvidas quanto ao nível de multicelularidade alcançado pelas leveduras nesse processo evolutivo laboratorial, o fantástico e simples experimento deixou claro que a transição de unicelular para multicelular parece ter sido mais fácil do que antes especulado pelos cientistas e possivelmente ocorreu muito mais vezes do que era estimado durante as várias divergências nas linhagens evolutivas.

          Para confirmar esse modelo de transição e descartarem a possibilidade de que a seleção artificial inicial via centrifugação estava sendo muito forçada (longe do "natural"), os pesquisadores, em 2014, repetiram o experimento com culturas de células da Chlamydomonas, e, seguindo os mesmos passos experimentais, eles presenciaram o mesmo processo evolutivo, com colônias de várias células unidas rapidamente emergindo. Em seguida, eles repetiram o experimento mas agora, ao invés das centrifugações, utilizaram uma pressão seletiva mais natural: uma população de protozoários ciliados do gênero Paramecium que comem Chlamydomonas, tendendo a se alimentar das menores. E, de novo, com a seleção de maiores tamanhos/aglomerados com o tempo, a multicelularidade emergiu rapidamente: dentro de 750 gerações (~1 ano) duas de cinco populações começaram a formar e se reproduzir como complexos celulares multicelulares, não mais como células individuais e adquirindo um genótipo de multicelularidade. (Ref.1).

          E, para reforçar ainda mais esses resultados experimentais e explorarem mais a fundo esses processos evolutivos, em junho de 2017 Travisano e Tech publicaram um estudo na Nature (Ref.6) mostrando outra transição evolutiva de unicelular para multicelular dessa vez na espécie de levedura Kluyveromyces lactis, esta a qual é separada evolucionalmente da S. cerevisiae por algo em torno de 100 milhões de anos, incluindo uma duplicação genômica (1) inteira a partir do ancestral no gênero Saccharomyces. Os dois pesquisadores seguiram o mesmo procedimento de seleção via centrifugação e sedimentação sobre 10 populações iniciais da cepa K. lactis Y-1140. A seleção de multicelularidade ocorreu a cada 24 horas (~6,7 gerações) por 60 dias (~400 gerações), transferindo-se sempre 6,7% do fundo dos tubos de ensaio para as culturas. Já pelo 10° dia (~70 gerações), todas as 10 populações de K. lactis tinham evoluído agrupamentos multicelulares.
           Porém, uma diferença marcante é que enquanto a S. cerevisiae evoluía complexos multicelulares isolados, o K. lactis evoluiu complexos que permitiam uma cooperação social (CT) com indivíduos ainda unicelulares no meio, fazendo com que estes também fossem selecionados durante os assentamentos via centrifugação. No entanto, os representantes multicelulares mostraram crescente prevalência e maior adaptabilidade.



          O novo experimento sugere que o mecanismo de CT pode ter papel crucial em certas transições evolutivas de unicelular para multicelular, complementando o mais importante mecanismo de ST. Dessa forma, mesmo biofilmes de bactérias ou colônias de microalgas, os quais apresentam somente o processo CT de formação, podem também representar modelos iniciais de transição evolutiva para a multicelularidade, não apenas um exemplo isolado de cooperação unicelular.

- Continua após o anúncio -



   SE É TÃO SIMPLES A OCORRÊNCIA DA MULTICELULARIDADE, POR QUE ELA DEMOROU A SURGIR EM PESO NA NATUREZA?

          Pistas fósseis de multicelularidade datam de 3-2,5 bilhões de anos atrás, sendo que a vida pode ter surgido há mais de 4 bilhões de anos (2) e, no mínimo, há cerca de 3,8 bilhões de anos.
E se os experimentos evolutivos mostram que a multicelularidade parece ocorrer de forma muito mais fácil do que antes suposto, por que essa demora para dar as caras?
          Até poucos alguns anos atrás, os cientistas acreditavam de forma quase unânime que a atmosfera primordial no nosso planeta, por possuir pouco oxigênio (afinal, a vida fotossintética não era ainda tão abundante ), dificultava que os organismos unicelulares crescessem muito ou se aglomerassem em grandes estruturas, ou seja, as condições naquela época selecionavam a maior área superficial possível nos seres vivos para a captura e transporte otimizados de oxigênio (células individuais). Por isso é que somente há 1 bilhão de anos grandes seres multicelulares teriam emergido para dominar o planeta.

          Porém, em 2015, Nicholas Butterfield, um paleontólogo na Universidade de Cambridge, Reino Unido, propôs, com base em várias evidências, que baixos níveis de oxigênio, na verdade, teriam favorecido a evolução da multicelularidade nos antigos ambientes marinhos. Organismos maiores e multicelulares - e com múltiplos flagelos - são melhores para movimentar a água ao redor e colher mais oxigênio por unidade de tempo, e a maior escassez de nutrientes nos mares há bilhões de ano teriam forçado a evolução de novos tipos especializados de células, já que organismos mais complexos conseguem coletar alimento de forma mais eficiente. E, para explicar a demora na ascensão da multicelularidade, Butterfield acredita que isso reflete o tempo para que genes mais sofisticados de regulação celular surgissem.

        De qualquer forma, desde que a multicelularidade primeiro surgiu, as evidências mostram que ela evoluiu múltiplas vezes em várias linhagens, ressurgindo inúmeras vezes, e sugerindo que, de fato, não é algo tão difícil assim a quebra da barreira individualista ao encontro da cooperação celular.

- Continua após o anúncio -



   CONCLUSÃO

         A origem e a manutenção de cooperação entre ex-seres unicelulares são frequentemente vistas como uma forte barreira para a evolução de vida multicelular mais complexa, fomentando inclusive anti-evolucionistas de plantão. Porém, já mostramos diversas vezes tanto em evidências genéticas e fósseis quanto em experimentos laboratoriais simples, que essa transição evolutiva está longe de ser um bicho de sete-cabeças.



REFERÊNCIAS CIENTÍFICAS
  1. http://www.sciencemag.org/news/2018/06/momentous-transition-multicellular-life-may-not-have-been-so-hard-after-all 
  2. http://science.sciencemag.org/content/334/6058/893 
  3. https://www.biorxiv.org/content/biorxiv/early/2014/03/30/003673.full.pdf
  4. https://www.biorxiv.org/content/biorxiv/early/2016/08/05/067991.full.pdf
  5. https://www.biorxiv.org/content/biorxiv/early/2018/05/18/325670.full.pdf
  6. https://www.nature.com/articles/ncomms15707