Evolução, ciência e sociedade, Trabalhos de Ciências Biologicas

Baixe Evolução, ciência e sociedade e outras Trabalhos em PDF para Ciências Biologicas, somente na Docsity! E aa e ido Editor: Douglas J. Futuyma Es Rets State University of New York Sa cera 4 RENTE Genética 18 + Ap | (NF: apa ' q das: RD EO Evolução, Ciênciale Sociedade *: - Nota da Edição Brasileira Na presente edição, traduzimos os termos científicos para o Português. Nosso objetivo é contribuir para a consolidação de uma terminologia científica em língua portuguesa e, ao mesmo tempo, possibilitar a compreensão do texto também pelo leitor não especialista. Solicitamos aos leitores que contribuam para o aprimoramento dessa terminolo- gia e nos enviem sugestões. Ao manter, nesta edição brasileira, as considerações sobre os sistemas de ensi- no e de financiamento à pesquisa americanos, tivemos o objetivo de fornecer subsídios que possam resultar na redação de um documento voltado para o sistema de fomento à pesquisa e de políticas educacionais nacionais. São Paulo, setembro de 2002 João Stenghel Morgante Editor de Livros SBG Editoria_livros@sbg.org.br 5 mos de aplicar as pesquisas em Evolução aos problemas da sociedade e devemos incluir as implicações de tais pesquisas na educação de uma cidadania cientificamente informada. A fim de promover essas metas, repre- sentantes de oito destacadas sociedades ci- entíficas profissionais dos Estados Unidos, cuja temática principal inclui a Evolução, pre- pararam este documento. Ele inclui contribui- ções de especialistas de várias outras áreas. Conseguiu-se obter da comunidade de biólo- gos norte-americanos que estudam a Evolu- ção respostas referentes a esboços anterio- res e a minuta foi tornada pública pela Inter- net. Os representantes chegaram a uma série de recomendações que tratam das áreas abai- xo. PROGRESSO NA COMPREENSÃO POR MEIO DA PESQUISA A fim de maximizar o potencial da Bio- logia Evolutiva como princípio organizador e integrador, insistimos em que: • sejam incorporadas perspectivas evoluti- vas como fundamento para pesquisas interdisciplinares que tratam de problemas científicos complexos; • os biólogos estudiosos da Evolução traba- lhem no sentido de construir vínculos sig- nificativos entre a pesquisa básica e a apli- cação prática; • a Biologia Evolutiva desempenhe um pa- pel mais explícito na missão mais ampla dos órgãos federais que possam se benefi- ciar de contribuições feitas por esta área. A Biologia Evolutiva é o estudo da história da vida e dosprocessos que levam à sua diversidade. Baseada nosprincípios da adaptação, no acaso e na história, a Biologia Evolutiva procura explicar todas as características dos organismos, ocupando por isso uma posição central dentro das ciências biológicas. O século vinte e um será o “Século da Biologia”. Impulsionadas por uma convergên- cia de preocupações públicas em aceleração, as ciências biológicas serão convocadas cada vez mais para tratar de questões vitais para o nosso bem-estar futuro: ameaças à qualida- de ambiental, necessidades de produção de alimentos devido a pressões populacionais, novos perigos para a saúde humana gerados pelo aparecimento de resistência a antibióti- cos e de novas doenças, e a explosão de no- vas tecnologias na biotecnologia e na com- putação. A Biologia Evolutiva em particular está destinada a prestar contribuições muito significativas. Ela contribuirá diretamente para desafios prementes da sociedade, bem como para informar e acelerar outras disciplinas bi- ológicas. A Biologia Evolutiva estabeleceu de for- ma inequívoca que todos os organismos evo- luíram a partir de um ancestral comum, no decorrer dos últimos 3,5 bilhões de anos; do- cumentou muitos acontecimentos específicos da história da evolução; e desenvolveu uma teoria muito bem validada sobre os mecanis- mos genéticos, ecológicos e de desenvolvi- mento das mudanças evolutivas. Os métodos, conceitos e perspectivas da Biologia Evolutiva deram e continuarão dando importantes con- tribuições a outras disciplinas biológicas, tais como a Biologia Molecular e do Desenvolvi- mento, a Fisiologia e a Ecologia, bem como a outras ciências básicas como Psicologia, An- tropologia e Informática. A fim de que a Biologia Evolutiva reali- ze todo o seu potencial, os biólogos devem integrar os métodos e resultados da pesquisa em Evolução com aqueles de outras discipli- nas, tanto dentro como fora da Biologia. Te- RELEVÂNCIA DA BIOLOGIA EVOLUTIVA PARA O PROGRAMA NACIONAL DE PESQUISA 6 PROGRESSO NA COMPREENSÃO POR MEIO DA EDUCAÇÃO Incentivamos esforços de vulto para re- forçar os currículos das escolas primárias e secundárias, bem como os das faculdades e universidades, incluindo: • apoio a treinamento suplementar para pro- fessores primários e/ou treinamento de reciclagem em Biologia Evolutiva para pro- fessores de Ciências do curso secundário; • maior ênfase na Evolução nos currículos das faculdades de Biologia e Medicina, com cursos alternativos acessíveis a estudan- tes de outras áreas; • integração de conceitos relevantes da Evo- lução no treinamento de todos os biólogos formados e de profissionais de áreas tais como Medicina, Direito, Agricultura e Ci- ências Ambientais. PROGRESSO NA COMPREENSÃO POR MEIO DA COMUNICAÇÃO Recomendamos enfaticamente aos bi- ólogos dedicados ao estudo da Evolução que desempenhem seus papéis: • na comunicação, aos órgãos de fomento à pesquisa federais e estaduais e a outras instituições que apoiam a pesquisa básica ou aplicada, da relevância da Biologia Evolutiva na realização das missões des- sas organizações; • na formação da próxima geração de biólo- gos dedicados ao estudo da Evolução, para que tenham consciência da relevância do seu campo para as necessidades da socie- dade; • na informação ao público sobre a nature- za, os progressos e as implicações da Bio- logia Evolutiva. PREÂMBULO tudos dessas disciplinas, referentes a meca- nismos biológicos, com explanações basea- das na História e na adaptação. Em todo o campo das ciências biológicas, a perspectiva evolutiva fornece uma estrutura útil, muitas vezes indispensável, para organizar e inter- pretar observações e fazer previsões. Como foi enfatizado em recente relatório da Acade- mia Nacional de Ciências dos Estados Unidos (37), a evolução biológica é “o mais impor- tante conceito da Biologia Moderna – um con- ceito essencial para a compreensão de aspec- tos chave dos seres vivos”. Apesar de sua posição central entre as ciências da vida, a Biologia Evolutiva ainda não representa, nos currículos educacionais e na concessão de verbas para pesquisa, uma prioridade à altura de suas contribuições in- telectuais e de seu potencial para contribuir com as necessidades da sociedade. As razões disso talvez incluam a percepção errônea de que todas as questões científicas importantes referentes à Evolução já foram respondidas e a controvérsia entre alguns maus cientistas a respeito da realidade da Evolução e da per- cepção dela como ameaça a certos valores tradicionais da sociedade. Entretanto, a Bio- logia Evolutiva é uma disciplina intelectual e Três grandes temas permeiam as ciên- cias biológicas: função, unidade e diversida- de. Grande parte da Biologia, desde a Biolo- gia Molecular até a Biologia do Comportamen- to, da Bacteriologia à Medicina, preocupa-se com os mecanismos que fazem os organis- mos funcionar. Muitos desses mecanismos são adaptações: características que favorecem a sobrevivência e a reprodução. Algumas des- sas características são encontradas apenas em certos grupos de organismos, enquanto ou- tras são compartilhadas por quase todos os seres vivos, refletindo a unidade da vida. Ao mesmo tempo, a diversidade de característi- cas entre as milhões de espécies da Terra é espantosa. A unidade, a diversidade e as caracte- rísticas adaptativas dos organismos são con- seqüências da história evolutiva e só podem ser plenamente compreendidas nesta pers- pectiva. A ciência da Biologia Evolutiva é o estudo da história da vida e dos processos que levaram à sua unidade e diversidade. A Bio- logia Evolutiva esclarece fenômenos estuda- dos nos campos da Biologia Molecular, da Bi- ologia do Desenvolvimento, da Fisiologia, do Comportamento, da Paleontologia, da Ecolo- gia e da Biogeografia, complementando os es- 7 tecnologicamente dinâmica, que inclui algu- mas das mais empolgantes descobertas atu- ais das ciências biológicas. Os principais objetivos deste documen- to são: • descrever a nossa compreensão atual da Evolução e das principais conquistas inte- lectuais da Biologia Evolutiva; • identificar as principais questões e desafi- os da ciência da Evolução passíveis de pro- gresso no futuro próximo; • descrever contribuições da Biologia Evolu- tiva, passadas e esperadas no futuro, tan- to para outras ciências como para neces- sidades sociais em áreas tais como as ci- ências da saúde, a agricultura e as ciênci- as ambientais; e • sugerir maneiras pelas quais se possa fa- cilitar o progresso na pesquisa básica, nas aplicações da Biologia Evolutiva para aten- der necessidades da sociedade e na edu- cação para a ciência. Este documento foi preparado para pes- soas cujas decisões são responsáveis pela ori- entação da pesquisa científica básica e apli- cada e pela elaboração de currículos educa- cionais para todos os níveis. Ele foi elabora- do por representantes de oito das mais im- portantes sociedades científicas profissionais dos Estados Unidos cuja temática inclui a Evo- lução. Também contribuíram outros especia- listas em vários assuntos. A minuta deste do- cumento foi revisada com base nos comentá- rios recebidos da comunidade de biólogos de- dicados ao estudo da Evolução norte-ameri- canos e do público, que teve acesso à minuta em reuniões científicas e pela Internet. Em- bora não se possa esperar concordância ple- na em todos os detalhes e pontos em desta- que, os principais assuntos e conclusões con- tidos nas páginas a seguir representam a opi- nião da grande maioria dos profissionais da Biologia da Evolução dos Estados Unidos. “Que obra de arte é um homem! A be- leza do mundo, a flor dos animais!”. Assim como o Hamlet de Shakespeare, nós também nos maravilhamos diante das admiráveis ca- racterísticas da nossa espécie, mas, decorri- dos quatro séculos, fazemo-lo com muito mais conhecimento. Pensem, por exemplo, no cor- po humano: um manual de Biologia, uma li- ção de Evolução. Impressionam-nos, em primeiro lugar, as incontáveis características que nos permi- tem funcionar. Quer consideremos os nossos olhos, o nosso cérebro ou o nosso sistema imunológico, encontramos características complexas, admiravelmente adequadas às funções que desempenham. Tais característi- cas que servem para a nossa sobrevivência e reprodução são chamadas adaptações. Como foi que elas surgiram? Se olharmos mais de perto, também encontramos anomalias que não têm nenhum sentido adaptativo. Como podemos explicar o nosso apêndice sem função, mamilos nos homens, dentes do siso que nascem de forma dolorosa ou nem chegam a nascer, ou a pe- culiar disposição dos nossos aparelhos diges- tivo e respiratório, que têm o inconveniente de se cruzarem, colocando-nos em risco de sufocar com comida? Considerando a nossa espécie de for- ma ampla, vemos uma variação quase infini- ta. Diferenças de tamanho, conformação e pigmentação entre as pessoas não são mais do que a ponta do iceberg. Quase todo mun- do tem traços faciais e características de iden- tificação pelo DNA (“fingerprints”) singulares, existe uma variação hereditária na susce- tibilidade a doenças infecciosas e um certo número de pessoas desafortunadas herda al- gum dos muitos, porém raros, defeitos gené- ticos. Qual é o responsável por toda essa va- riação? Ampliando o nosso campo visual e comparando-nos com outros organismos, encontramos uma série de características que compartilhamos com muitas outras es- pécies. Estamos ligados aos macacos pelas unhas dos dedos; a todos os mamíferos pe- los cabelos, pelo leite e pela estrutura dos dentes e das mandíbulas; aos répteis, aves e anfíbios pela estrutura básica de nossos bra- ços e pernas; e a todos os vertebrados, in- I. INTRODUÇÃO 10 freqüências dos alelos oscilam por puro aca- so. No final, um dos alelos acaba substituin- do os outros (i.é, será fixado na população). A deriva genética é da maior importância quan- do os alelos de um gene são neutros — ou seja, quando eles não diferem substancialmente quanto a seus efeitos na sobrevivência ou na reprodução — e seu progresso é tão mais rá- pido quanto menor for a população. A deriva genética resulta em mudança evolutiva, po- rém não em adaptação. A outra causa principal de mudança nas freqüências alélicas é a seleção natural, nome dado a qualquer diferença consistente (não- aleatória) entre organismos portadores de alelos ou genótipos diferentes quanto à sua taxa de sobrevivência ou de reprodução (i.é, seu valor adaptativo), devido a diferenças quanto a uma ou mais características. Na mai- oria dos casos, há circunstâncias ambientais que influem na determinação de qual varian- te terá maior valor adaptativo. A relevância das circunstâncias ambientais depende grandemente do tipo de vida de cada orga- nismo, sendo que elas não incluem apenas fatores físicos tais como a temperatura, mas também outras espécies, bem como outros membros da mesma espécie, com os quais o organismo compete, cruza ou mantém outras interações sociais. te. (A palavra “adaptação” também é usada para designar características que evoluíram em conseqüência da seleção natural). A sele- ção natural tende a eliminar alelos e caracte- rísticas que reduzem o valor adaptativo (tais como mutações que causam defeitos congê- nitos graves nos humanos e em outras espé- cies) e atua também como uma “peneira” que preserva e aumenta a abundância de combi- nações de genes e características que aumen- tam o valor adaptativo, mas cuja ocorrência por mero acaso seria rara. Desta forma, a se- leção tem um papel “criativo” ao tornar o im- provável muito mais provável. O efeito da se- leção freqüentemente será a substituição completa de genes e características previa- mente comuns por outras novas (processo chamado seleção direcionada), mas, em algu- mas circunstâncias, a “seleção equilibrada” pode manter indefinidamente diversas vari- antes genéticas em uma população (situação chamada polimorfismo genético, como no caso das hemoglobinas siclêmica e “normal” en- contradas em algumas populações humanas da África). A seleção natural é a causa derradeira de adaptações tais como os olhos, os contro- les hormonais do desenvolvimento e os com- portamentos de “cortejo” para atrair parcei- ros, mas não pode produzir tais adaptações, sem que a mutação e a recombinação gerem uma variação genética sobre a qual possa agir. No decorrer de um período suficientemente longo, novas mutações e recombinações, selecionadas por deriva genética ou por sele- ção natural, podem alterar muitas caracterís- ticas, podendo alterar cada uma delas tanto quantitativa como qualitativamente. O resul- tado pode ser uma mudança indefinidamente grande, a ponto de uma espécie descendente diferir flagrantemente de seu ancestral remo- to. A movimentação de indivíduos entre populações, seguida de cruzamentos (i.é, flu- xo gênico), permite que novos genes e carac- terísticas se espalhem a partir de sua popula- ção de origem para toda a espécie. Se o fluxo gênico entre populações diferentes, separa- das geograficamente, for pequeno, as mudan- ças genéticas que aparecerão nessas popula- ções podem ser diferentes. Uma vez que as populações passam por histórias diferentes de mutação, deriva genética e seleção natural (esta última sendo especialmente provável, se os seus meios ambientes forem diferentes), elas seguem caminhos diferentes de mudan- Uma conseqüência comum da seleção natural é a adaptação, uma melhora da capa- cidade média dos membros da população de sobreviver e reproduzir no seu meio ambien- Evolução por Seleção Natural Os biólogos do século dezenove Charles Darwin e Alfred Russel Wallace estabeleceram as bases para a Teoria da Evolução. 11 ça, divergindo em sua constituição genética e nas características individuais dos organismos (variação geográfica). As diferenças acumula- das acabam fazendo com que as diferentes populações se tornem reprodutivamente iso- ladas: isto é, se seus membros se encontra- rem, não trocarão genes, porque não cruza- rão entre si ou, se o fizerem, a prole “híbrida” será inviável ou infértil. As populações dife- rentes agora são espécies diferentes. O signi- ficado deste processo de especiação é que, a partir daí, as novas espécies poderão evoluir de forma independente. Algumas podem ori- ginar ainda outras espécies, que poderão aca- bar se tornando extremamente diferentes en- tre si. Eventos sucessivos de especiação, as- sociados à divergência, dão origem a aglome- rados de ramos na árvore filogenética dos seres vivos. Embora, separadamente, cada um dos processos envolvidos na Evolução pareça re- lativamente simples, a Evolução não é tão di- reta quanto possa parecer por este resumo. Os vários processos da Evolução interagem de maneiras complexas e cada um deles, por sua vez, tem numerosos matizes e complexi- dades. Um gene pode afetar vários caracteres, vários genes podem afetar um caráter, a sele- ção natural pode mudar de taxa ou mesmo de direção de um ano para outro, ou pressões de seleção conflitantes podem afetar um ca- ráter. Levando-se em conta tais complexida- des, pode ficar bastante difícil prever quando e como um determinado caráter irá evoluir. A teoria matemática e os modelos de computa- dor são ferramentas inestimáveis para a com- preensão da maneira mais provável pela qual um caráter irá evoluir. Grande parte da pes- quisa em Evolução consiste em formular mo- delos precisos, muitas vezes quantitativos, e depois testá-los por experimentação ou por observação. É importante fazer a distinção entre a História da Evolução e os processos conside- rados como explicativos desta história. A mai- oria dos biólogos considera a História da Evo- lução — a proposta de que todas as espécies sejam descendentes, com modificações, de ancestrais comuns — como um fato — isto é, uma afirmação sustentada por provas tão con- tundentes que é aceita como verdadeira. O con- junto de princípios que descreve os proces- sos causais da Evolução, tais como mutação, deriva genética e seleção natural, constitui a Teoria da Evolução. O termo “teoria” é usado aqui da mesma forma como em toda a ciên- cia, como em “Teoria Quântica” ou “Teoria Atômica,” significando não mera especulação e sim um bem estabelecido sistema ou conjun- to de afirmações que explicam um grupo de fe- nômenos. Embora a maioria dos detalhes da História da Evolução ainda tenha de ser des- crita (o que também é verdade em relação à História humana), a afirmação de que houve uma história de ancestrais comuns e de mo- dificação é fato tão plenamente confirmado quanto qualquer outro na Biologia. Contras- tando com isso, a Teoria da Evolução, como todas as teorias científicas, continua a se de- senvolver, à medida que novas informações e idéias aprofundam a nossa compreensão. Os biólogos que estudam a Evolução acredi- tam firmemente que as suas principais cau- sas já foram identificadas. Entretanto, as opi- niões sobre a importância relativa dos diver- sos processos continuam a mudar, à medida que novas informações acrescentam detalhes e modificam a nossa compreensão. Ainda as- sim, citar a Evolução como um fato pode ge- rar controvérsia, pois provavelmente nenhu- ma afirmação em toda a ciência desperta tanta oposição emocional. Por isso, incluímos o Apêndice I, intitulado “Evolução: Fato, Teo- ria, Controvérsia.” 12 A Biologia Evolutiva é a disciplina que descreve a História da vida e investiga os pro- cessos responsáveis por essa História. A Biologia Evolutiva tem dois objetivos amplos: • Descobrir a História da vida na Terra: isto é, (1) determinar as relações ancestral-des- cendente entre todas as espécies que já viveram — sua filogenia; (2) determinar as épocas em que elas surgiram e se extin- guiram; e (3) determinar a origem de suas características, bem como o ritmo e o cur- so de suas mudanças. • Compreender os processos causais da Evo- lução: isto é, compreender (1) as origens das variações hereditárias; (2) de que modo processos diversos atuam no sentido de in- fluenciar o destino dessas variações; (3) a importância relativa dos numerosos pro- cessos coadjuvantes das mudanças; (4) com que velocidade ocorrem as mudan- ças; (5) como processos tais como a muta- ção, a seleção natural e a deriva genética deram origem às diversas características moleculares, anatômicas, comportamen- tais e outras dos diferentes organismos; e (6) como populações se tornam espécies diferentes. Este vasto projeto de compre- ender as causas da Evolução baseia-se pra- ticamente na Biologia inteira e, reciproca- mente, a compreensão dos processos de Evolução fornece informações a todas as áreas da Biologia. A. Subdisciplinas da Biologia Evolutiva A Biologia Evolutiva inclui numerosas subdisciplinas, que diferem quanto aos seus assuntos e aos seus métodos. Algumas das principais subdisciplinas são: • A Evolução Comportamental (também chamada Ecologia Comportamental). Os pesquisadores da Evolução Comportamen- tal estudam a evolução de adaptações tais como os sistemas de acasalamento, o com- portamento do “cortejo”, o comportamen- to de procura de alimentos, os mecanis- mos de fuga de predadores e a coopera- ção. As características comportamentais evoluem de maneira muito semelhante às características estruturais. Mudanças nos mecanismos neurais, hormonais e do de- senvolvimento subjacentes ao comporta- mento também são objetos de estudo evolutivo, da mesma forma como as dife- renças adaptativas entre espécies, quanto à memória, aos padrões de aprendizado e a outros processos cognitivos, alguns dos quais se refletem em diferenças de estru- tura cerebral. Os padrões de comportamen- to, fisiologia, estrutura e ciclo de vida freqüentemente evoluem em conjunto. • Biologia Evolutiva do Desenvolvimento. Esta área procura compreender as mudan- ças evolutivas ocorridas nos processos de tradução da informação genética contida no DNA de um organismo (o seu genótipo) em suas características anatômicas e ou- tras (o seu fenótipo). Objetiva, em parte, descrever de que modo a variação ao ní- vel genético resulta em uma variação nas características, que afeta a sobrevivência e a reprodução. Talvez o seu maior signifi- cado resida no seu potencial de revelar até que ponto os processos do desenvolvimen- to distorcem, restringem ou facilitam a evo- lução do fenótipo. • Ecologia Evolutiva. Esta área dedica-se a observar como evoluem as histórias da vida, os tipos de alimentação e outras ca- racterísticas ecológicas das espécies, como esses processos afetam a composição e as propriedades das comunidades e dos ecossistemas e como as espécies evoluem em resposta umas às outras. Suas ques- tões mais destacadas incluem: Como po- demos explicar a evolução de tempos de vida curtos ou longos? Por que algumas espécies têm distribuição ampla e outras, restrita? Com o passar do tempo, os para- sitas (incluindo os patógenos microbianos) evoluem no sentido de se tornarem mais benignos ou mais virulentos? De que modo as mudanças evolutivas e a história evolutiva interferem no número de espé- cies de uma comunidade tal como uma flo- resta tropical ou uma floresta da zona tem- perada? • Genética Evolutiva. A Genética Evolutiva (que inclui a Genética de Populações) é uma disciplina central no estudo dos pro- cessos evolutivos. Ela utiliza tanto os mé- III. QUAIS SÃO OS OBJETIVOS DA BIOLOGIA EVOLUTIVA? 15 variação dentro das populações é um po- deroso antídoto contra o racismo e a cria- ção de estereótipos para grupos étnicos e outros. • Diversidade biológica. Os biólogos que se dedicam ao estudo da Evolução não estão apenas intrigados pela diversidade da vida, mas têm também clara consciência das contribuições que o estudo de organismos diversos traz à Biologia. Prova disso são os imensos avanços da Biologia que se ori- ginaram dos estudos aprofundados de “mo- delos” de organismos tais como leveduras, milho, ratos, a bactéria Escherichia coli e a mosca da fruta Drosophila melanogaster; de fato, muitos biólogos que se dedicam ao estudo da Evolução estudam esses orga- nismos modelo. Entretanto, sem examinar outras espécies, não podemos saber o al- cance da aplicabilidade dos princípios re- Um Exemplo de Uso dos Conhecimentos sobre Biodiversidade Charles W. Myers 1 e John W. Daly2 1 American Museum of Natural History 2 National Institute of Diabetes and Digestive and Kidney Diseases O conhecimento das relações evolutivas (filogenéticas) têm ajudado os pesquisadores científicos a descobrirem compostos naturais úteis na pesquisa biomédica. Os sa- pinhos-ponta-de-flecha constituem um grupo de espéci- es relacionadas de anfíbios tropicais do Novo Mundo, en- contrados na América Central e do Sul. Seus venenos têm como base uma classe de compostos químicos chama- dos alcalóides, que os sapinhos conseguem obter de pe- quenos insetos e outros invertebrados dos quais se ali- mentam e que, mais tarde, liberam em secreções cutâneas defensivas. Alcalóides de três espécies desses sapos são usados para envenenar as flechas das zarabatanas dos caçadores nativos das selvas da Colômbia Ocidental. A batracotoxina, um alcalóide isolado de um desses sapinhos-ponta-de-flecha, o Phyllobates terribilis,1 mostrou-se útil ao se estudarem os efeitos de anestésicos locais, anticonvulsivos e outras drogas. Alcalóides da classe das pumiliotoxinas de um sapinho-ponta-de-flecha da América Central, o Dendrobates pumilio, revelaram ter ativida- de cardiotônica (estimulante do coração). A epibatidina, alcalóide isolado da pele de um sapinho-ponta-de-flecha sul-americano, o Epipedobates tricolor, é 200 vezes mais poderoso como analgésico (remédio contra dor) do que a morfina e estão em andamento vastas pesquisas de um análogo sintético comercial, por causa de sua poderosa atividade semelhante à nicotina. Estes são apenas alguns dos compostos de utilidade médica inicialmente des- cobertos nos sapinhos-ponta-de-flecha tropicais. Trabalhando em contato estreito com biólogos que estudam a Evolução e sistematas que localizam, identificam e descrevem novas espécies de sapinhos-ponta-de-flecha, os pesquisadores científicos continuam a identificar novos compostos úteis na pesquisa biomédica. Badio, B., H. M. Garraffo, T. F. Spande, and J. W. Daly. 1994. Epibatidine: discovery and definition as a potent analgesic and nicotinic agonist. Med. Chem. Res. 4: 440–448. velados por esses sistemas modelo — e, efetivamente, sabemos que muitos desses princípios são aplicáveis somente com modificações, ou absolutamente não se aplicam, a um grande número de outras espécies. A regulação gênica, por exem- plo, foi esclarecida primeiro em bactérias, mas é muito diferente nos eucariontes. Pre- cisamos estudar organismos diversos, a fim de aprender sobre adaptações fisiológicas à escassez de água nas plantas do deserto (incluindo potenciais plantas de safra), os mecanismos pelos quais os parasitas com- batem os sistemas imunológicos de seus hospedeiros, ou a evolução do comporta- mento social, da comunicação ou do aprendizado nos animais como os prima- tas. Organismos diferentes apresentam questões biológicas diferentes e, para cada questão, há espécies que se prestam mais à investigação do que outras. 16 Uma vez que a Biologia Evolutiva abran- ge tudo, dos estudos moleculares até os paleontológicos, um catálogo dos seus méto- dos preencheria vários volumes. Nós pode- mos citar apenas alguns dos métodos mais gerais e comumente usados. • Métodos de inferência filogenética são usados para estimar relações entre espé- cies (vivas e extintas). Progressos recentes dos métodos lógicos e de computação au- mentaram consideravelmente a confiança nessas estimativas. Usando uma excessi- va simplificação, o princípio no qual se baseiam esses métodos é o de que espéci- es com um número maior de característi- cas derivadas (“avançadas”) em comum tenham se originado de um ancestral co- As Origens do Homem Moderno Douglas J. Futuyma State University of New York at Stony Brook A maioria dos hominídeos fósseis de cerca de 1 milhão a 300.000 anos atrás é classificada como Homo erectus, que esteve amplamente distribuído desde a África até a Ásia Oriental. As características esqueléticas do Homo erectus evoluíram gradualmente para as do Homo sapiens. A tran- sição anatômica entre o Homo sapiens “arcaico” — como os neandertalenses — e o Homo sapiens “anatomicamente moderno” ocorreu na África cerca de 170.000 anos atrás e, algum tempo depois, em outro lugar. Até recentemente, a suposição geral era de que os genes para as características modernas tivessem se espalhado por diferentes populações humanas “arcaicas”, de modo tal que todas as diferentes populações arcaicas tivessem evoluído para o homem moderno, mantendo porém algumas diferenças genéticas que persistem até hoje entre diferentes populações huma- nas. Esta idéia é conhecida como a “hipótese multi-regional”. A hipótese multi-regional foi contestada por alguns geneticistas que propuseram, em vez disso, que o ho- mem anatomicamente moderno tenha evoluído inicialmente na África e se difundido depois pela Europa e Ásia, substituindo os humanos arcaicos sem que houvesse reprodução cruzada entre eles.1 Segundo esta hipótese da “origem africana”, as populações humanas arcaicas da Europa e da Ásia teriam legado poucos genes, se é que deixaram algum, às populações de hoje. Esta hipótese baseia-se em estudos sobre a variação na seqüência de certos genes, como os genes mitocondriais, de populações humanas de todo o mundo. Esses genes mostram que as seqüências de DNA de populações diferentes são mais semelhantes do que seria de se esperar, caso elas tivessem acumulado mutações diferentes durante 300.000 anos ou mais. Além disso, as seqüências das popula- ções africanas diferem mais entre si do que as seqüências dos europeus, asiáticos e índios americanos – o que pode indicar que as populações africanas são mais antigas e tiveram mais tempo para acumular diferenças mutacionais entre seus genes. As análises destes genes sugerem que o homem moderno se difundiu a partir da África há cerca de 150.000 a 160.000 anos. Se isso for verdade, todos os seres humanos têm um parentesco mais próximo entre si, sendo descendentes de ancestrais comuns mais recentes do que se pensava anteriormente. Assim mesmo, alguns genes apresentam um quadro diferente. Nesses casos, a quantidade de variação de seqüências de DNA entre cópias de genes é maior nas populações asiáticas do que nas africanas e as diferenças entre as populações são suficientemente grandes para sugerir que elas tenham divergido há mais de 200.000 anos – antes do aparecimen- to de seres humanos anatomicamente modernos no registro fóssil. Embora muitos dos pesquisadores neste campo estejam se inclinando para a hipótese da “origem africana”, a questão ainda não está resolvida e haverá necessidade de maior número de dados, antes que se possa chegar a uma conclusão segura sobre a origem do homem moderno. 1R.L. Cann et al., Nature 325:31-36 (1987); D.B. Goldstein et al., Proc. Natl. Acad. Sci. USA 92:6723-6727 (1995); N. Takahata, Annu. Rev. Ecol. Syst. 26:343-372 (1995); R.M. Harding et al., Am. J. Hum. Genet. 60:772-789 (1997). mum mais recente do que espécies com um número menor de características em comum. É óbvio, assim, que ratos, baleias, macacos e outros mamíferos têm entre si um ancestral comum mais recente do que com aves ou lagartos, uma vez que os ma- míferos possuem muitas características singulares derivadas (p. ex., leite, pêlos, mandíbula única). É menos óbvio, mas as- sim mesmo cada vez mais provável, à me- dida que se acumulam novos dados, que os chimpanzés sejam parentes mais pró- ximos dos humanos do que dos gorilas. Tais conclusões baseiam-se não somente em métodos melhorados de análise dos dados, mas também em um acervo prati- camente inexaurível de novos dados: lon- gas seqüências de DNA, revelando muito IV. COMO SE ESTUDA A EVOLUÇÃO? 17 mais semelhanças e diferenças entre as es- pécies do que as facilmente encontradas em sua anatomia. Os mesmos métodos usados para inferir a genealogia das espé- cies podem ser usados para inferir a genealogia dos próprios genes. Assim, por exemplo, estudos moleculares da Evolução podem usar seqüências de DNA para esti- mar há quanto tempo variantes de um gene, presentes em pessoas diferentes, surgiram a partir de um único gene ances- tral. • Bancos de dados paleontológicos. A Paleontologia Evolutiva fundamenta-se na Sistemática, incluindo a inferência filogenética, pois é necessário classificar os organismos fossilizados e determinar as re- lações entre eles, antes que eles possam ser utilizados para qualquer outra coisa. Feito isto, os fósseis podem ser usados para dois tipos principais de estudos evolutivos. Um é o rastreamento das mudanças evolutivas das características das linhagens ao longo do tempo geológico, como as ocorridas durante a descendência dos ma- míferos a partir de seus ancestrais répteis. O outro é a determinação dos tempos e velocidades de surgimento e extinção das linhagens e o estabelecimento da correla- ção de tais mudanças com outros eventos da História da Terra. Por exemplo, cada uma de cinco grandes extinções em massa — uma delas claramente devida ao impac- to de um asteróide — foi seguida de um grande aumento na velocidade de surgimento de espécies e de taxons supe- riores, fornecendo provas de que a diver- sificação das espécies é estimulada pela disponibilidade de recursos ociosos. Os estudos da biodiversidade fóssil baseiam- se em bancos de dados computadorizados referentes à ocorrência geológica e geo- gráfica de milhares de taxons fósseis, da- dos acumulados por milhares de paleon- tólogos de todo o mundo ao longo de dois séculos. • Caracterização da variação genética e fenotípica. Caracterizar a variação é uma das tarefas mais importantes da Biologia Evolutiva. Os métodos estatísticos usados para isso podem ser aplicados a muitos ti- pos diferentes de dados. A análise genéti- ca quantitativa, também usada amplamen- te no cultivo de plantas de safra e de ani- mais domésticos, é uma ferramenta impor- tante para medir e distinguir variações ge- néticas e não-genéticas das características fenotípicas. Um dos métodos para fazer esta distinção envolve a medida das seme- lhanças entre parentes, o que exige o co- nhecimento das relações entre os indiví- duos pertencentes a populações naturais. Muitas vezes, tais informações podem ser obtidas por meio de marcadores genéticos moleculares. Avanços recentes das tecnologias moleculares baseadas no DNA viabilizaram a construção de mapas gené- ticos detalhados para uma ampla gama de espécies, bem como a identificação de re- giões específicas do DNA que controlam ou regulam caracteres quantitativos. • Inferência a partir de padrões genéticos. Muitas mudanças evolutivas (embora não todas) levam períodos imensos de tempo, de modo que freqüentemente os proces- sos envolvidos são inferidos com base em padrões de variação existentes, e não em observação direta. Muitas hipóteses sobre processos evolutivos podem ser testadas comparando-se os padrões de variação genética e fenotípica com aqueles previs- tos por modelos evolutivos. Por exemplo, a “teoria neutra” da evolução molecular por deriva genética sustenta que a variação molecular intraespecífica deveria ser mai- or e a divergência entre espécies mais rá- pida, para genes cujas mutações, em sua maioria, não têm efeito sobre o valor adaptativo do organismo, do que para genes cujas mutações, em sua maioria, têm grande efeito sobre o valor adaptativo. Se- gundo este modelo, genes que codificam proteínas de pouca importância, ou que não codificam nenhuma proteína funcio- nal, deveriam apresentar variação de nucleotídeos maior do que genes que co- dificam proteínas funcionalmente impor- tantes. Estudos de variação do DNA con- firmaram amplamente este modelo. Este modelo é tão poderoso que atualmente os biólogos moleculares usam rotineiramen- te o nível de variação das seqüências en- tre espécies como indício de uma maior ou menor importância da função de uma se- qüência de DNA recém-descrita. • Observação das mudanças evolutivas. Algumas mudanças evolutivas importan- tes ocorrem com rapidez suficiente para 20 As numerosas subdisciplinas da Biolo- gia Evolutiva deram incontáveis contribuições no sentido de atender necessidades da socie- dade. Mencionaremos aqui apenas alguns exemplos. Iremos nos concentrar especial- mente nas contribuições à saúde humana, à agricultura e recursos renováveis, produtos naturais, gerenciamento e conservação ambi- ental e análise da diversidade humana. Tam- bém mencionaremos algumas extensões da Biologia Evolutiva para além do campo das ciências biológicas. A. Saúde Humana e Medicina • Doenças genéticas. Doenças genéticas são causadas por variantes de genes ou de cromossomos, embora a expressão de tais condições muitas vezes seja influenciada por fatores ambientais (inclusive sociais e culturais) e pela constituição genética de outros locos do indivíduo. Às muitas do- enças clínicas causadas por variantes ge- néticas podemos acrescentar muitas con- dições comuns associadas à idade, com- ponentes importantes das dificuldades de aprendizado e distúrbios do comportamen- to, todas contribuindo para o sofrimento humano e exigindo recursos médicos, edu- cacionais e de assistência social. Cada um desses distúrbios genéticos é causado por alelos em um ou mais locos gênicos, cuja freqüência varia de muito rara até mode- radamente comum (como os alelos para siclemia e fibrose cística, que são bastante freqüentes em algumas populações). As freqüências alélicas são o tema da Genéti- ca de Populações, que pode ser aplicada de imediato a duas tarefas: determinar as razões da freqüência de um alelo deletério e estimar a probabilidade de que uma pes- soa herde o alelo ou desenvolva o traço. Assim, por exemplo, a alta freqüência de alelos para siclemia e várias outras hemo- globinas defeituosas em alguns locais ge- ográficos sinalizou aos geneticistas de po- pulações a probabilidade de que algum agente da seleção natural estivesse man- tendo esses alelos nas populações. Sua dis- tribuição geográfica sugeria uma associa- ção com a malária, tendo pesquisas ulteri- ores confirmado que esses alelos são prevalentes porque os portadores hetero- zigotos têm maior resistência à malária. Esta é uma clara ilustração da teoria, de- senvolvida por biólogos dedicados ao es- tudo da Evolução décadas antes da descri- ção do padrão siclêmico, de que uma van- tagem adaptativa do heterozigoto pode manter alelos deletérios nas populações. Pode ser importante para os casais conhe- cer a probabilidade de que seus filhos her- dem doenças genéticas, especialmente se elas já ocorreram em sua história familiar. O Aconselhamento Genético vem forne- cendo esse tipo de orientação há muitas décadas. O Aconselhamento Genético é Genética de Populações aplicada, pois, para calcular a probabilidade de se herdar um defeito genético, baseia-se tanto na análi- se genealógica (Genética padrão) como no conhecimento da freqüência de um deter- minado alelo na população geral. Da mes- ma forma, a avaliação das conseqüências para a saúde de um casamento entre pes- soas aparentadas ou da maior exposição a radiações ionizantes e outros mutágenos ambientais depende criticamente de teori- as e métodos desenvolvidos por geneti- cistas de populações (65). A Biologia Molecular está revolucionando a Genética Médica. Agora existe a tecno- logia para localizar genes e determinar sua seqüência, na esperança de determinar as diferenças funcionais entre alelos deleté- rios e alelos normais. Os portadores de alelos deletérios podem ser identificados a partir de pequenas amostras de DNA (in- cluindo as obtidas por amniocentese) e a terapia genética, pela qual alelos defeituo- sos podem ser substituídos por alelos nor- mais, é uma possibilidade real. Métodos e princípios desenvolvidos por biólogos que se dedicam ao estudo da Evolução contri- buíram para esses avanços e é provável que dêem outras contribuições no futuro. A localização do gene para determinado traço, por exemplo, não é tarefa fácil. O processo baseia-se em associações entre o gene procurado e marcadores genéticos ligados (p. ex., genes adjacentes no mes- mo cromossomo). A solidez da associação IV. DE QUE MODO A BIOLOGIA EVOLUTIVA CONTRIBUI PARA A SOCIEDADE? 21 A Natureza e Distribuição das Doenças Genéticas Humanas Aravinda Chakravarti Case Western Reserve University Cada população humana traz consigo sua carga singular de doenças genéticas. Assim, pes- soas de ascendência européia têm maior freqüên- cia de fibrose cística, africanos e seus descenden- tes têm freqüência aumentada de siclemia e mui- tas populações asiáticas têm incidência mais alta de uma anemia chamada talassemia. Esses dis- túrbios raros resultam de mutações em genes in- dividuais e exibem padrões de herança simples. As técnicas moleculares modernas permitiram a identificação de muitos genes para doenças, bem como das mudanças específicas na seqüência do DNA que levam à doença. Um achado surpreen- dente foi que a alta freqüência de muitos desses distúrbios não se deve ao fato de os genes subjacentes serem altamente mutáveis, e sim a um aumento na freqüência de uma ou mais mu- Gradiente de distribuição na Europa da principal mutação causadora da fibrose cística, em relação ao total dos genes tações específicas. Em muitos casos, o aumento da freqüência pode ter ocorrido por acaso (um efeito loteria). Por exemplo, muitas doenças genéticas são particularmente pronunciadas em isolados sociais, religiosos e geográ- ficos, como os Amish, os Menonitas e os Huteritas nos EUA, cujos ancestrais foram pequenos grupos de fundado- res aparentados. Em outros casos, como o da fibrose cística, da siclemia e das talassemias, há evidências consi- deráveis de que as mutações tenham aumentado por causa de uma vantagem na sobrevivência dos indivíduos portadores de uma cópia da mutação, que, porém, não são afetados clinicamente, podendo portanto transmitir a mutação às futuras gerações. O conhecimento da nossa ascendência, isto é, dos genes e mutações que recebemos dos nossos antepas- sados e dos processos evolutivos que moldaram suas distribuições, é crucial para podermos compreender as doenças genéticas humanas. Um importante princípio revelado por estudos genéticos recentes sobre fibrose cística, siclemia, talassemias e outras doenças é o de que os numerosos pacientes portadores da mutação mais comum de cada uma dessas doenças são portadores porque têm um ancestral comum; isto é, são parentes distantes. Conseqüentemente, esses indivíduos também têm em comum segmentos de DNA relativamente gran- des, contíguos, que circundam a mutação. Os geneticistas começaram a utilizar este princípio do possível paren- tesco evolutivo dos pacientes como método de mapeamento e identificação de genes para doenças. Se a muta- ção gênica responsável estiver localizada em um segmento de DNA presente na maioria ou em todos os pacien- tes, o mapeamento do gene para a doença equivale a procurar, nos pacientes, segmentos de DNA comuns. Existe atualmente um grande interesse pelas análises genéticas de distúrbios poligênicos, como câncer, hipertensão e similares, em vista do grande ônus que representam para todas as sociedades. Em cada um dos genes responsáveis por estas doenças humanas comuns, também é esperada a presença, de origem evolutiva, de mutações comuns nos pacientes. Diferentemente dos distúrbios raros, é esperado que essas mutações sejam mais comuns e tenham um segmento menor de DNA em comum nos pacientes, já que elas são muito mais antigas na população humana. Além disso, a incidência dessas doenças comuns também varia entre populações humanas diferentes, devido tanto à variação da constituição genética, como do meio ambiente. Por essas razões, é difícil identificar os genes subjacentes a essas doenças. A fim de realizar esta tarefa, os cientistas estão criando um mapa de altíssima resolução dos genes e seqüências humanos. Este mapa consiste de “marcadores”, seg- mentos conhecidos e ordenados de DNA humano, que variam entre os indivíduos quanto à composição das seqüências. Espera-se que o princípio do mapeamento para encontrar genes de suscetibilidade e resistência a doenças pela comparação dos DNAs dos pacientes quanto a padrões de seqüências comuns tenha um papel decisivo nessas descobertas. No futuro, este e outros princípios evolutivos novos contribuirão para a identifica- ção de novos genes para doenças e para a compreensão da atual distribuição das doenças genéticas humanas no mundo. de um alelo com tais marcadores — a pro- babilidade de que um marcador no cromossomo de qualquer pessoa assinale a presença de um alelo deletério vizinho a ele — é o grau de “desequilíbrio de ligação.” A teoria da Genética de Populações foi de- senvolvida para prever o grau de desequilíbrio de ligação como função de fatores tais como as freqüências alélicas, as taxas de recombinação e o tamanho da população. Esta teoria foi de crucial impor- tância em um dos primeiros casos de loca- lização e subseqüente seqüenciamento de um alelo deletério comum — aquele que causa a fibrose cística. À medida que avan- ça o trabalho de realização das recompen- sas prometidas pelo Projeto Genoma Hu- mano, vai crescendo o papel desempenha- do pelas teorias provenientes da Genética de Populações (29). Determinar qual das muitas diferenças de nucleotídeos entre um alelo deletério e um alelo normal causa uma doença é impor- 22 tante para a compreensão de como seus efeitos podem ser remediados. Estudos evolutivos moleculares deram origem a vários métodos capazes de ajudar a dis- tinguir uma variação na seqüência de um gene que afeta fortemente o valor adaptativo (afetando a função) de uma va- riação relativamente neutra. Esses méto- dos empregam análises de variação de se- qüências de DNA, tanto intraespecíficas, como entre espécies com parentesco pró- ximo. Estamos prevendo que esses méto- dos, incluindo as comparações entre genes humanos e seus homólogos em outros primatas, ajudarão a identificar as varia- ções causadoras de doenças genéticas. Neste contexto, os crescimento dos ban- cos de dados de seqüências gênicas de grande número de espécies, bem como o Projeto Genoma Humano, oferecerão abundância de oportunidades para com- parações. • Doenças sistêmicas. Todas as doenças genéticas em conjunto afetam somente cerca de 1% da população humana. Por outro lado, cada vez mais doenças e mor- tes humanas estão associadas com doen- ças sistêmicas crônicas, como a arterio- patia coronária, o derrame, a hipertensão e o mal de Alzheimer. Essas doenças originam-se de um comple- xo conjunto de interações entre genes e ambiente. Esta complexidade dificulta o es- tudo da ligação entre genes e doença sistêmica. Os princípios e as abordagens evolutivas já tiveram um importante im- pacto no estudo desta ligação (65). Assim, por exemplo, sendo conhecidas suas fun- ções bioquímicas ou fisiológicas, alguns genes podem ser identificados como “genes candidatos” de contribuírem para o aparecimento de alguma doença sistêmica. Existe, porém, tanta variação genética molecular nesses locos candida- tos na população humana geral que encon- trar as variantes específicas associadas com o risco de doença assemelha-se à pro- verbial procura da agulha no palheiro. Para estimar uma árvore gênica a partir dessa variação genética, podem-se usar técnicas filogenéticas evolutivas. Uma árvore gênica deste tipo representa a história evolutiva das variantes genéticas do gene candida- to. Se, durante a história evolutiva, tiver ocorrido qualquer mutação que altere o ris- co para alguma doença sistêmica, todo o ramo da árvore gênica portador daquela mutação deve apresentar a mesma asso- ciação com a doença. Análises de árvores gênicas já foram usa- das com sucesso na descoberta de marcadores genéticos indicativos de risco para arteriopatia coronária (23), risco para mal de Alzheimer (58) e a resposta dos ní- veis de colesterol à dieta alimentar (18). Além disso, análises evolutivas de árvores gênicas podem ajudar na identificação da mutação que realmente causa o efeito sig- nificativo sobre a saúde (23,56) — um pri- meiro passo crítico para a compreensão da etiologia da doença e o planejamento de possíveis tratamentos. À medida que fo- rem identificados mais genes candidatos para doenças sistêmicas comuns, haverá maior necessidade de análises evolutivas no futuro. • Doenças infecciosas. Doenças infecciosas são causadas por organismos parasitas tais como vírus, bactérias, protistas, fungos e helmintos (vermes). O controle e tratamen- to das doenças infecciosas requer não ape- nas pesquisa médica, mas também pesqui- sa e ações ecológicas. As perguntas críti- cas incluem: Qual é o organismo causador da doença? De onde ele veio? Há outras espécies hospedeiras que funcionem como reservatórios para o organismo? Como ele se propaga? Se for propagado por um vetor como algum inseto, qual é a dispersão tí- pica do vetor e que outras propriedades ecológicas do vetor poderiam ser explora- das para controlar a propagação? Como é que o organismo causa a doença e como ela pode ser tratada com drogas ou outras terapias? Como ele se reproduz — de ma- neira sexuada ou assexuada ou ambas? É provável que ele desenvolva resistência a drogas ou às defesas naturais do corpo e, em caso afirmativo, com que rapidez? É provável que ele desenvolva virulência maior ou menor no futuro e em que condi- ções ele o fará? A cada uma dessas per- guntas, a Biologia Evolutiva pode e vai dar respostas. Identificar um organismo causador de do- ença e o seu vetor, se houver, é assunto da Sistemática. Se for, como no caso do HIV, 25 B. Agricultura e Recursos Naturais • Criação de plantas e animais. As relações entre melhoristas de plantas e animais, geneticistas e biólogos que se dedicam ao estudo da evolução vêm de tão longa data e são tão próximas que às vezes seus cam- pos são difíceis de distinguir, especialmente na criação de variedades melhoradas de sa- fras e de animais domésticos. Darwin abriu sua obra A Origem das Espécies com um capítulo sobre organismos domesticados e escreveu um livro em dois volumes sobre a Variação em Plantas e Animais Domesti- cados. Um dos fundadores da Genética de Populações, Sewall Wright, trabalhou du- rante anos com criação animal e um ou- tro, R. A. Fisher, deu importante contribui- ção ao planejamento e à análise de testes de cultivares. Desde então, muitos gene- ticistas deram contribuições iguais, tanto à Genética Evolutiva como à Genética Bá- sica e à teoria na qual se baseia a criação seletiva eficaz. Quando, ao contrário, o chefe do ministério soviético da agricultu- ra, T. D. Lysenko, rejeitou a Teoria da Evo- lução, na década de 1930, ele acabou im- pondo ao cultivo de plantas daquele país um atraso de várias décadas. Conceitos como herdabilidade, componen- tes de variância genética e correlação ge- nética, bem como a elucidação experimen- tal de fenômenos como o vigor híbrido, a depressão por endogamia e as bases da variação poligênica (quantitativa), desem- penham papéis igualmente centrais, tanto na genética agrícola como na Teoria da Evolução. O exemplo mais recente desta interação mútua entre áreas é o desenvol- vimento e a aplicação de técnicas que usam marcadores moleculares para a localiza- ção dos múltiplos genes responsáveis por traços de variação contínua, como o tama- nho e o conteúdo de açúcar das frutas, e para a identificação da função metabólica desses genes (chamados locos de caracte- rísticas quantitativas ou LCQ). Antigamen- te, somente alguns organismos modelos, como a Drosophila, eram suficientemente bem conhecidos do ponto de vista genéti- co para fornecer essas informações. Ago- ra, graças às pesquisas dos melhoristas de plantas, dos geneticistas de populações e do Projeto Genoma de Plantas, é possível mapear genes de interesse em praticamen- te qualquer organismo, quer seja de uma espécie domesticada ou de uma espécie selvagem usada para estudos evolutivos. A variação genética, matéria prima dos bi- ólogos que se dedicam ao estudo da Evo- lução, é condição sine qua non para o su- cesso na agricultura. Como qualquer bió- logo que se dedica ao estudo da evolução sabe, uma plantação extensa e genetica- mente uniforme é um alvo fácil para patógenos de plantas ou outras pragas, que se adaptarão a ela e se propagarão rapida- mente. A ferrugem da batata, que causou fome em grande parte da Irlanda na déca- da de 1840, é um dos numerosos exem- plos deste fenômeno (1). Outro exemplo es- petacular é a epidemia de ferrugem da fo- lha de milho no sul nos Estados Unidos em 1970, que causou uma perda econômica estimada em US$ 1 bilhão (dólares de 1970). Em mais de 85% da área plantada com milho, tinham sido utilizadas cepas portadoras de um fator genético (Tcms) que impede o desenvolvimento de flores mas- culinas, o que era útil para produzir varie- dades híbridas uniformes. Porém, o fator Tcms tornou o milho suscetível a uma raça mutante do fungo Phytopthora infestans, que se alastrou rapidamente por todo o Cinturão do Milho (Corn Belt) e para além dele. Somente a combinação de condições climáticas favoráveis com a ampla planta- ção de milho de constituição genética nor- mal impediu a ocorrência de uma ferrugem ainda mais devastadora em 1971 (62). Apesar dessas lições, por razões de efici- ência econômica, ainda são amplamente usadas plantações geneticamente unifor- mes, mas há um reconhecimento genera- lizado de que é essencial manter a diver- sidade genética (36). Assim, é essencial constituir bancos de “germoplasma” de di- ferentes cepas de plantações, especial- mente cepas que diferem entre si quanto a características como a tolerância à seca e a resistência a pragas. Uma fonte im- portante de genes potencialmente úteis são espécies selvagens aparentadas com a plantação — que, obviamente, só podem ser reconhecidas com o auxílio de uma boa Sistemática. Por exemplo, o tomate cultivado, como a maioria das espécies de plantação, é uma espécie autofertilizante (e, por isso, geneticamente homozigota) 26 que possui pouca variação genética, mes- mo entre todas as variedades disponíveis. Ele é originário da região andina da Amé- rica do Sul e chegou à América do Norte via processo de domesticação na Europa. Estudos da genética e da evolução do to- mate levaram à constatação de que exis- tem muitas espécies aparentadas nativas do Chile e do Peru e de que essas espéci- es apresentam uma abundante variação genética. Mais de 40 genes para resistên- cia às principais doenças foram encontra- dos nessas espécies nativas e 20 deles fo- ram transferidos por hibridação para o estoque matriz comercial de tomates. Ca- racterísticas de qualidade de frutas tam- bém foram melhoradas desta maneira e espera-se que, nos próximos anos, seja introduzida a resistência à seca, à salinidade e às pragas de insetos, propor- cionando um aumento de quatro a cinco vezes do rendimento agrícola (51). Uma Lição da História: O Trágico Destino da Genética Evolutiva na União Soviética Vassiliki Betty Smocovitis University of Florida Até a década de 1920, os cientistas soviéticos tinham adquirido reconhecimento internacional pelo seu traba- lho pioneiro em muitos campos da Biologia. A mais notável entre essas realizações era uma singular escola de Genética de Populações que sintetizava descobertas da Genética e da Teoria Darwiniana da seleção natural com conhecimentos sobre a estrutura de populações selvagens de animais e plantas, a fim de compreender os meca- nismos de adaptação e Evolução. Na década de 1920, Sergei Chetverikov e outros geneticistas de populações russos previram a síntese evolutiva que ocorreu no Ocidente nos anos ‘30 e ‘40. Entre as contribuições da escola russa de Teoria Evolutiva estavam o conceito de conjunto gênico, a derivação independente do conceito de deriva genética e os primeiros estudos genéticos de populações selvagens da mosca de frutas Drosophila melanogaster. Esta escola formou jovens evolucionistas como N. V. Timofeeff-Ressovsky e Theodosius Dobzhansky, que, mais tarde, desempenhariam papéis essenciais no estabelecimento da moderna Teoria da Evolução na Alemanha e nos Estados Unidos. A escola russa afirmava que uma mudança evolutiva consiste de mudanças nas freqüências de genes mendelianos, particulados, dentro de uma população. Este pujante centro de pesquisa evolutiva, e a maioria de seus cientistas, tiveram um fim trágico. A partir do fim da década de 1920, a Biologia em geral e a Genética em particular foram vistas cada vez mais como perigosas para o espírito político da Rússia estalinista, empenhada, naquela época, em se transformar de um estado agrário em uma nação moderna. No início dos anos ’30, começou a perseguição à Genética e aos geneticistas. Ela era alimentada pela retórica de Trofim Lysenko (1898-1976), um agrônomo com pouca instrução e nenhuma forma- ção científica, mas com grandiosas ambições para a agricultura soviética, baseadas em sua crença errônea no mecanismo lamarckiano de herança e mudança orgânica. Segundo a teoria de Lamarck e Lysenko, a exposição de organismos parentais a um fator ambiental, como baixa temperatura, induz diretamente o desenvolvimento de mudanças adaptativas que são herdadas pelos seus descendentes – uma teoria da Evolução pela herança de características adquiridas, e não pela seleção natural dos genes. Os geneticistas e biólogos estudiosos da Evolução ocidentais já tinham mostrado que não ocorre herança lamarckiana. Declarando a Genética uma ameaça ao Estado, capitalista, burguesa, idealista e até mesmo apoia- da pelos fascistas, Lysenko conduziu uma odiosa campanha de propaganda, que culminou em 1948 com a con- denação oficial da Genética por Stalin e pelo Comitê Central do Partido Comunista. Entre as vítimas do Lysenkoísmo estiveram Nikolai Vavilov, um dos pioneiros da reprodução de plantas, que morreu de fome num campo de prisioneiros, e toda a escola de geneticistas de populações, que se dispersaram ou foram destruídos. O Lysenkoísmo rapidamente levou à destruição total justamente daquelas áreas da Biologia soviética que tinham alcançado notoriedade mundial na década de 1920. A política soviética contra a Genética e a Evolução teve conseqüências desastrosas para o povo soviético. Além de uma devastadora destruição rural, só comparável àquela causada pela coletivização soviética, o Lysenkoísmo impediu o desenvolvimento da ciência agrícola. A União Soviética foi excluída da revolução agríco- la global que ocorreu nas décadas da metade do século passado, alimentada em parte por inovações genéticas, como o milho híbrido. A despeito da oposição nascente, Lysenko permaneceu no poder até 1965, depois da deposição de Khrushchev. A Biologia soviética nunca conseguiu se recuperar de fato deste período. Suas pro- messas iniciais sobreviveram somente através de indivíduos como Dobzhansky, uma figura que se sobressai na Biologia Evolutiva, que levou para o Ocidente descobertas da Genética de Populações russa, ao imigrar para os Estados Unidos, em 1927. As conseqüências completas do Lysenkoísmo e da Biologia estalinista ainda não foram determinadas, mas já estão sendo estudadas por estudiosos que ganharam acesso a fontes governamentais anteriormente restritas.1 Embora discutam a respeito de detalhes, todos os estudiosos concordam que o reinado do Lysenkoísmo foi um período particularmente negro na história da ciência. É o exemplo clássico das conseqüências negativas de políticas anticientíficas mal orientadas e do controle ideológico da Ciência. A lição aprendida é que a investiga- ção livre, o apoio governamental informado às ciências básica e aplicada e o debate aberto de assuntos científi- cos – especialmente aqueles declarados como ameaçadores ou perigosos por determinados grupos de interesses – são essenciais para a saúde e prosperidade das nações. 1 M. Adams, em: E. Mayr and W. Provine (eds.), The Evolutionary Synthesis (Harvard University Press, Cambridge, MA., 1980), pp. 242-278; D. Joravsky, The Lysenko Affair (Harvard University Press, Cambridge, MA, 1979); N. Krementsov, Stalinist Science (Princeton University Press, Princeton, NJ, 1997); V. Soyfer, Lysenko and the Tragedy of Soviet Science (Rutgers University Press, New Brunswick, NJ, 1994). 27 • Uso da biodiversidade. O conhecimento da sistemática dos tomates, junto com a genética ecológica e a compreensão do sis- tema de cultivo desta planta, formou a base de uma aplicação bem sucedida, que está sendo repetida em muitas outras planta- ções. A engenharia genética, que possibi- lita a transferência de genes de praticamen- te qualquer espécie para qualquer outra, torna disponíveis, para fins agrícolas e ou- tros, a vasta “biblioteca genética” dos or- ganismos da Terra, portadores de uma tre- menda variedade de genes para traços como a tolerância ao calor, a resistência a doenças e a insetos, substâncias químicas que conferem sabores e odores e muitas outras características potencialmente úteis. Se quisermos utilizar esta biblioteca no futuro, é necessário tanto que a biblioteca seja preservada — isto é, que a biodiver- sidade não seja perdida — e que haja bibli- otecários — cientistas capazes de darem alguma orientação para que se encontrem “volumes” úteis. Esses bibliotecários serão biólogos que se dedicam ao estudo da evo- lução: aqueles que estudam Sistemática e Filogenia e, por isso, conhecem as espéci- es existentes e sabem quais delas têm pro- babilidade de terem genes e característi- cas semelhantes, e aqueles que estudam Genética Evolutiva e adaptação e são ca- pazes de indicar o caminho que leva a or- ganismos com características desejáveis. • Manejo de pragas. Pragas de plantas, prin- cipalmente insetos e fungos, representam anualmente um enorme ônus econômico em perda de safras e medidas de controle. A Biologia Evolutiva relaciona-se com este problema de várias maneiras. Sem contar os perigos para a saúde pública e o meio ambiente resultantes do uso excessivo de pesticidas químicos, nos últimos 40 anos, mais de 500 espécies de insetos (incluindo pragas de plantações, pragas de grãos ar- mazenados e vetores de doenças) desen- volveram resistência a um ou mais inseti- cidas, algumas delas sendo resistentes a todos os inseticidas conhecidos. Nos Esta- dos Unidos, a evolução da resistência a pesticidas aumentou em US$1,4 bilhão o custo anual de proteção dos produtos agrí- colas e florestais (47). Entomólogos agrí- colas com formação em Genética Evolutiva (31,53) estão dando a sua contribuição aos esforços para retardar ou impedir a evolu- ção da resistência, como o uso rotativo de diferentes medidas de controle e a combi- nação criteriosa de controles químicos e não-químicos. Dois métodos não-químicos foram muito beneficiados pelo conheci- mento e pela Teoria da Evolução: o uso de inimigos naturais e o cultivo de resistên- cia. Inimigos naturais, como os insetos que são predadores especializados ou parasitas de espécies que são pragas, freqüentemente são procurados na região de origem da pra- ga. Portanto, a primeira pergunta é: de onde vem a praga? Achar a resposta exige entomólogos com formação em Sistemá- tica Evolutiva, capazes de identificar a pra- ga usando uma taxonomia baseada em princípios evolutivos. Se a praga for uma espécie desconhecida, a melhor pista para a sua região de origem é a distribuição de espécies aparentadas — que pode ser de- terminada usando-se a taxonomia evolutiva. A procura de inimigos naturais utiliza os mesmos princípios. Uma vez en- contrados inimigos potenciais, tais como parasitas, é crucial fazer a distinção entre espécies com parentesco próximo, muito semelhantes, pois pode ser que algumas ataquem a praga e outras ataquem somen- te seus parentes. Se um inimigo é aprova- do para introdução, ele deve ser criado em grande número para soltura. Neste está- gio, a aplicação da Genética Evolutiva é crucial, a fim de impedir que a linhagem do parasita se torne endocruzada ou involuntariamente selecionada para carac- terísticas que possam prejudicar sua eficá- cia. Outra importante estratégia no controle de pragas é promover a seleção da resistên- cia em plantas de safra, por meio da tria- gem para genes que conferem resistência no laboratório ou em canteiros, introdu- zindo a seguir esses genes, por meio de cruzamentos, em cepas cultivadas com outras características desejáveis. É impor- tante conhecer a base genética da resis- tência, pois alguns tipos de resistência são de curta duração. Uma praga pode se adap- tar a uma linhagem cultivada tão pronta- mente quanto se adapta a inseticidas quí- micos. Por exemplo, pelo menos seis im- portantes genes para resistência à mosca do trigo ou mosca de Hesse foram sucessi- 30 paleobiológicos sobre as mudanças climáti- cas, o nível do mar e a distribuição das espé- cies no passado permitem discernir o tipo de organismos com maior probabilidade de so- frerem os efeitos adversos do aquecimento global — a saber, aqueles com baixo poder de dispersão, reduzido alcance geográfico e bai- xa tolerância ecológica. Evidências proveni- entes de populações que evoluíram em tem- peraturas diferentes também podem nos aju- dar a prever a diversidade de respostas a uma mudança climática e a velocidade com a qual diferentes populações conseguem se adaptar a ela (61). Como conseqüência das atividades hu- manas, espécies e populações geneticamen- te singulares estão entrando em extinção num ritmo alarmante. As nossas atividades amea- çam não somente espécies conspícuas, como os grandes mamíferos e as tartarugas mari- nhas, mas também um sem-número de plan- tas, artrópodes e outros organismos menos conhecidos, que são, em conjunto, uma fonte potencial de produtos naturais, agentes de controle de pragas e outras aplicações úteis (incluindo a reciclagem de elementos quími- cos que permite o funcionamento de todo o ecossistema). A Biologia Evolutiva tem um papel da maior relevância na maneira de li- dar com esta “crise da biodiversidade”. Uma das considerações importantes é a de quais Determinação de Riscos e Organismos Geneticamente Modificados Thomas R. Meagher Rutgers University A preocupação com a programada liberação no meio ambiente de organismos geneticamente modificados provocou uma ampla gama de recomendações para a determinação dos riscos associados com essas liberações. À medida que os cultivares transgênicos foram se aproximando da realidade comercial, a questão da determina- ção dos riscos deslocou-se da preocupação com os próprios organismos transgênicos para a preocupação com os efeitos de longo prazo de sua possível hibridização com seus parentes selvagens. Uma hibridização introgressiva de genes modificados, como aqueles que conferem resistência a herbicidas, com parentes selvagens de cultiva- res poderia, por exemplo, gerar ervas daninhas problemáticas.1 Em relação a qualquer cultivar transgênico, a informação básica necessária para tratar desta preocupação é a probabilidade da produção híbrida com espécies aparentadas. Cultivares de colza com sementes oleosas e de outras espécies cultivadas de Brassica foram causas de particular preocupação, devido à pressão econômica pela introdução da colza transgênica (Brassica napus) em estreita proximidade com seus parentes selvagens, alguns dos quais já constituem ervas daninhas em terras de cultivo.2 Dados empíricos que poderiam formar uma base científica para a determinação dos riscos desta introdução foram recentemente fornecidos por estudos com Brassica napus e uma espécie selvagem com parentesco próximo, B. campestris.3 Estes estudos sobre Brassica servirão de modelo, no qual poderão basear-se estudos de determinação dos riscos de cultivares polinizados por insetos. 1J. M. Tiedje et al., Ecology 70:298-315 (1989); N. C. Ellstrand and C. A. Hoffman, BioScience 40:438-442 (1990); L. R. Meagher, Capítulo 8 de: A New Technological Era for American Agriculture, U.S. Congress Office of Technology Assessment, OTA-F-474 (U.S. Government Printing Office, Washington, D.C., 1992) 2M. J. Crawford et al., Nature 363:620-623 (1993); C. R. Linder and J. Schmitt, Molecular Ecology 3:23-30 (1994). 3T. R. Mikkelson et al., Nature 380:31 (1996). espécies, comunidades ecológicas ou regiões geográficas merecem os esforços de conser- vação mais urgentes, já que existem limites econômicos, políticos e de informação para o número de espécies que podemos salvar. Entre os papéis da Biologia Evolutiva na conservação estão: • O uso das informações filogenéticas para determinar quais regiões contêm a maior variedade de espécies biologicamente di- ferentes únicas; • O uso dos dados e métodos da Biogeografia Evolutiva (o estudo da distribuição dos or- ganismos) para identificar locais preferen- ciais — regiões com grande número de es- pécies geograficamente localizadas (por exemplo, Madagascar, Nova Guiné e a re- gião de Apalachicola da Flórida e do Alabama); • O uso de métodos genéticos e outros para distinguir espécies e populações genetica- mente singulares; • O uso da teoria da Genética de Populações para determinar o tamanho mínimo de uma população, necessário para prevenir a depressão por endogamia e para proje- tar corredores entre áreas de conservação 31 que permitam o fluxo gênico, dois proces- sos responsáveis pela manutenção da ca- pacidade das populações de se adaptarem a doenças e a outras ameaças; • O uso da teoria das histórias de vida e de outras características para prever quais são as espécies mais vulneráveis à extinção; • O uso de marcadores genéticos para con- trolar o tráfico de espécies ameaçadas. (Es- ses métodos têm sido usados para detec- tar a pesca ilegal de baleias e são utiliza- dos rotineiramente para distinguir entre pa- pagaios contrabandeados ilegalmente e os legalmente criados em cativeiro. De fato, esses pássaros têm um valor de mercado tão alto que as companhias de seguros es- tão exigindo caracterização por meio de DNA (“fingerprints”) dos papagaios manti- dos como animais de estimação). Metais Pesados e Plantas: Uma Novidade Evolutiva Torna-se uma Oportunidade Despoluição Ambiental Thomas R. Meagher Rutgers University O fenômeno da tolerância das plantas a metais pesados tem atraído uma atenção considerável por parte dos biólogos que se dedicam ao estudo da Evolução. A tolerância a metais foi relatada pela primeira vez pelo cientis- ta checo S. Prat em 1934 e, desde então, vem sendo muito estudada por vários cientistas, na Europa e nos Estados Unidos. Particularmente A. D. Bradshaw e seus estudantes vêm realizando amplos experimentos sobre as propriedades evolutivas de plantas que crescem em locais contaminados, como os dejetos de minas. Os achados deles incluem os seguintes:1 plantas que crescem em locais contaminados são geneticamente adapta- das a tolerarem metais pesados; plantas com tolerância a metais não competem bem em locais não contamina- dos; a seleção é tão forte que a adaptação genética a locais contaminados ocorre, mesmo que haja potencial para fluxo gênico proveniente de populações próximas não-tolerantes; mesmo níveis relativamente baixos de conta- minação, como a poluição por chumbo de exaustão veicular à beira das ruas em áreas urbanas, impõem uma seleção para tolerância a metais. Esta adaptação das plantas à contaminação por metais pesados tem desperta- do particular interesse por ser um caráter que parece ter evoluído, em parte, como resposta a uma perturbação humana. Estudos evolutivos da tolerância a metais pesados contribuíram para a elaboração de estratégias para o tratamento de solos contaminados em vários níveis. Primeiro, esses estudos forneceram provas dos efeitos tóxi- cos da contaminação por metais pesados sobre genótipos não-adaptados. Antes desses estudos evolutivos, a presença de plantas em alguns locais contaminados levou a alguns perigosos erros de percepção; em época tão recente quanto 1972, a Academia Nacional de Ciências dos EUA concluiu que o chumbo não tinha efeito tóxico em plantas, uma vez que havia plantas que conseguiam crescer sobre solos contaminados! Em segundo lugar, os estudos evolutivos contribuíram para a recuperação e replantação de locais contaminados.2 A variedade comer- cial tolerante a metais da grama Agrostis tenuis, conhecida como “Merlin”, foi produzida diretamente a partir de populações naturais com tolerância a metais. Finalmente, estudos evolutivos mostraram que o mecanismo para a tolerância a metais é a absorção, não a exclusão, de modo que esses genótipos tolerantes a metais também são acumuladores de metais. Esta última descoberta levou, junto com pesquisas fisiológicas sobre plantas com tole- rância a metais, ao uso crescente de plantas como parte de uma tecnologia de despoluição para o tratamento de locais contaminados. Segundo a Agência de Proteção Ambiental dos EUA (U.S. Environmental Protection Agency), somente nos Estados Unidos, os custos projetados para a despoluição de locais contaminados por metais serão de 35 bilhões de dólares norte-americanos nos próximos 5 anos. Plantas acumuladoras de metais, que desempe- nharão um papel importante neste processo de despoluição, estão sendo desenvolvidas por companhias do setor privado, como a Exxon, a DuPont e a Phytotech, em cooperação com o Departamento de Energia dos EUA e outros órgãos do governo. 1J. Antonovics et al., Adv. Ecol. Res. 7:1-85 (1971); J. Antonovics, em: International Conference on Heavy Metals in the Environment, pp.169-186 (Toronto, Ontario, 1975); A. D. Bradshaw, Phil Trans. Roy. Soc. Lond. B. 333:289-305 (1991). 2A.D. Bradshaw and T. McNeilly, Evolution and Pollution (Edward Arnold, London, 1981); D.E. Salt et al., Bio/Technology 13:468-474 (1995); T. Adler, Science News 150:42-43 (1996). E. Aplicações fora da Biologia Existem benefícios recíprocos entre a Bi- ologia Evolutiva e a ciência e tecnologia não- biológicas. A relação mais antiga desse tipo talvez seja com a Teoria Econômica. A idéia de Darwin da seleção natural foi inspirada pelas obras do economista Thomas Malthus, que salientou os efeitos da competição por re- cursos escassos. No século vinte, a elabora- ção de vários tópicos evolutivos, como a evo- lução das histórias de vida e o comportamen- to devastador, serviu-se da Teoria Econômi- ca. Entretanto, houve também um fluxo de idéias em sentido oposto. A influência da Ge- nética de Populações na Economia começou com a obra de Sewall Wright sobre análise de coeficiente de pista ou passagem, uma técni- ca estatística desenvolvida para analisar sis- temas causais complexos, como os efeitos da hereditariedade e do ambiente sobre os 32 fenótipos. Atualmente, este método é muito utilizado para análise causal na Economia e na Sociologia. Mais recentemente, alguns eco- nomistas adotaram um dos princípios centrais da Teoria da Evolução, à qual também foi Wright quem deu forma matemática — a sa- ber, os efeitos da contingência histórica na mudança subseqüente. Economistas como Douglass North aplicaram este princípio, in- dicando um afastamento da teoria econômi- ca baseada na clássica noção de que os indi- víduos sabem o que é necessário para maximizar os benefícios e minimizar os cus- tos (44). A necessidade de se ter instrumentos para resolver problemas teóricos e práticos da Evolução incentivou progressos, tanto na Estatística, como na Matemática. R.A. Fisher, que elaborou a análise de variância, era gene- ticista de populações e estatístico. Ao anali- sar efeitos aleatórios na Evolução, Wright usou equações de difusão que inspiraram ou- tros trabalhos sobre processos aleatórios, re- alizados por matemáticos como William Feller, que foi levado a desenvolver uma am- pla área da Teoria da Probabilidade. Mais re- centemente, a análise de árvores filogenéticas inspirou pesquisas matemáti- cas. Esses métodos, adequadamente modifi- cados, terão ampla aplicação fora da Biolo- gia Evolutiva. A computação evolutiva e a inteligên- cia artificial estão entre os temas mais ati- vos e potencialmente úteis da informática atual e estão baseadas diretamente na Teo- ria da Evolução. O cientista da computação John Holland (25) foi profundamente influ- enciado por seus colegas da Biologia Evolutiva e, junto com seus estudantes, foi o pioneiro da computação evolutiva e dos algoritmos genéticos para a solução de pro- blemas numéricos. Esses algoritmos, que empregam critérios de maximização conce- bidos para mimetizar a seleção natural em sistemas biológicos, atualmente estão mos- trando um grande potencial de aplicação em computadores e sistemas. A computação evolutiva é um campo tão ativo que duas re- vistas novas — Evolutionary Computation (Computação Evolutiva) e Adaptive Behavior (Comportamento Adaptativo) —incluem um grande número de artigos sobre como os conceitos biológicos podem ser aplicados à ciência da computação e à engenharia. F. Compreensão da Humanidade Dados e métodos evolutivos vêm sen- do usados para tratar de muitas questões re- ferentes à espécie humana — a nossa histó- ria, a nossa variabilidade, o nosso comporta- mento e cultura e, na realidade, o que signifi- ca ser humano. Alguns estudos sobre a varia- ção e evolução humanas são inambíguos e incontroversos. Outros escritos sobre a Evo- lução humana e suas implicações sociais têm sido extremamente controvertidos — e cau- saram a mesma discordância entre biólogos dedicados ao estudo da evolução e em outras esferas. Esses tópicos controversos geralmen- te contêm dados insuficientes para apoiar as alegações feitas, ou são ocasiões em que fo- ram usados, injustificadamente, dados cien- tíficos, para dar sustentação a discussões so- ciais ou éticas. Além disso, alguns escritores e jornalistas populares interpretam erronea- mente os achados da evolução e da genética humanas — o que evidencia a necessidade de uma educação mais ampla a respeito des- tas matérias. • História humana. Entre os principais tópi- cos de estudo da história humana, já men- cionados antes neste documento, estão as nossas indiscutíveis relações com os ma- cacos africanos, a história da evolução dos hominídeos, como revelada pelo registro fóssil, e a história das populações huma- nas modernas, na qual a Genética Evolutiva desempenhou o papel principal (Ver Box 2). Extensos estudos de genética de popu- lações, em conjunto com métodos filogenéticos, também determinaram as relações genealógicas entre populações humanas. Estas relações genéticas têm uma boa correspondência com as relações entre os grupos lingüísticos, esclarecidas pelos lingüistas usando métodos modifica- dos da Biologia Evolutiva (9). A combina- ção destas disciplinas forneceu uma base mais sólida às inferências sobre as princi- pais migrações populacionais e a difusão de sistemas culturais importantes, como a agricultura e a domesticação de animais. • Variação dentro e entre populações. As diferenças genéticas entre as populações humanas são pequenas, quando compa- radas com a grande variação dentro delas. 35 grupo não-social diferente. Além disso, comparações entre espécies de insetos so- ciais com parentesco próximo mostraram que a evolução de uma sociabilidade cada vez mais intrincada ocorreu por etapas. Estudos filogenéticos revelaram ou confir- maram alguns acontecimentos notáveis da história da vida. Talvez a mais espantosa dessas descobertas seja a de que partes importantes das células dos eucariontes, como as mitocôndrias e os cloroplastos, descendem de bactérias que viviam em li- berdade e tornaram-se simbiontes intrace- lulares. Os métodos de inferência filogené- tica também produzem “árvores gênicas”, diagramas das relações entre variantes gênicas dentro de uma espécie e entre es- pécies diferentes. Quando analisadas à luz dos modelos da Genética de Populações, as árvores gênicas podem revelar muito sobre a história das populações, como a sua idade, seu tamanho anterior e a histó- ria de sua subdivisão (ver Box 2 sobre Evo- lução humana). • O ritmo e o modo da Evolução estão docu- mentados. Dados filogenéticos e paleon- tológicos mostram que características di- ferentes evoluem a taxas diferentes den- tro de uma linhagem (um padrão chaman- do evolução em mosaico), de modo que cada organismo é uma colcha de retalhos de ca- racterísticas que se modificaram substan- cialmente no passado recente e de outras que sofreram poucas mudanças ao longo de muitos milhões de anos. Isto é verdade tanto para as seqüências de DNA como para as características fenotípicas. Em ge- ral, características anatômicas individuais e conjuntos de características parecem evoluir bastante rapidamente em certas épocas da história de uma linhagem e, em outras épocas, parecem não ter evolução nenhuma. No registro fóssil, este padrão é registrado como “estase” interrompida oca- sionalmente por breves períodos de mu- danças rápidas — padrão que foi denomi- nado “equilíbrio pontuado”. Há várias ex- plicações recentes e concorrentes para este padrão. Outro padrão comum é a irradia- ção evolutiva, na qual muitas linhagens dis- tintas divergem de um ancestral comum num período curto de tempo. Essas explo- sões de diversificação muitas vezes estão associadas com a evolução de uma nova adaptação que dá acesso a novos recursos ou a um novo modo de vida (p. ex., o vôo) ou com a extinção de taxons que anterior- mente dominavam o ecossistema. Genes com Homeobox Sean B. Carroll University of Wisconsin Durante muito tempo, a evolução dos animais foi abordada através da Sistemática e da Paleontologia. Entretanto, até recentemente, a base genética da diversidade morfológica de qual- quer grupo animal estava fora do alcance da Bio- logia. Como evoluem os planos do corpo e as partes do corpo? Uma das descobertas mais im- portantes da década passada foi a de que a maio- ria dos animais, ou todos eles, têm uma família especial de genes em comum, os genes Hox, que são importantes para a determinação do padrão corporal. A diversidade das características rela- cionadas com os Hox nos artrópodes (morfologia dos segmentos, número e padrão dos apêndices) e nos vertebrados (morfologia vertebral, padrão dos membros e do sistema nervoso central) su- gere que os genes Hox tenham tido um papel im- portante na evolução morfológica. Estudos recen- tes de vários tipos diferentes de animais sugerem que grande parte da diversidade animal tenha evoluído em torno de um conjunto comum de genes Hox que se desdobram de maneiras dife- rentes e regulam genes diferentes em grupos es- pecíficos.1 1 S.B.Carroll, Nature, 376: 479-485 (1995); R.A. Raff, The Shape of Life: Genes, Development, and the Evolution of Animal Form (University of Chicago Press, Chicago, 1996). Organização e expressão dos genes Hox. No alto: os do- mínios A-P da expressão dos genes Hox de Drosophila correspondem à ordem dos genes dentro do complexo Hox. No meio: a relação evolutiva entre os aglomerados de Hox de Drosophila, anfíbios e ratos e o complemento deduzido de genes Hox do ancestral comum presumido de artrópodes e cordados. Embaixo: no rato em desen- volvimento, os domínios A-P dos genes Hox de rato tam- bém correspondem à ordem dos genes nos complexos Hox. Adaptado das refs. 50, 52 e 75. 36 • Os padrões de diversificação e de extinção foram descritos com base no registro fós- sil. Organismos marinhos primitivos, por exemplo, aumentaram rapidamente em di- versidade, depois permaneceram num ní- vel relativamente estável durante grande parte da era Paleozóica (545–248 milhões de anos atrás). Em seguida, a sua diversi- dade diminuiu abruptamente para talvez 4% de sua diversidade anterior, durante a maior extinção em massa jamais sofrida por seres vivos. A seguir, a diversidade re- tomou rapidamente o rumo oposto, tendo aumentado em grau maior ou menor des- de então (FIGURA 2). A separação dos con- tinentes, que criou plataformas separadas para a diversificação, contribuiu para o aumento global da diversidade, da mesma forma como a ascensão de grupos “moder- nos”, capazes de utilizar uma gama mais ampla de recursos ou de habitats (p. ex., plantas florescentes). Ao longo de todo o registro fóssil, houve alternância — extin- ção e surgimento de novas espécies. As causas da extinção não são muito bem compreendidas, mas o conhecimento das características biológicas dos grupos que foram propensos à extinção no passado pode nos ajudar a prever a vulnerabilidade à extinção em espécies atuais. O padrão de extinções entre os invertebrados mari- nhos costeiros ao longo do tempo geoló- gico, por exemplo, sugere que os habitan- tes de recifes tropicais são os mais vulne- ráveis. • Foi elaborada e validada uma teoria quan- titativa dos processos evolutivos funda- mentais. A teoria matemática da Genética de Populações — referente às mudanças genéticas dentro e entre populações — des- creve a interação e a importância relativa, em condições diversas, da taxa de muta- ção, da recombinação, da deriva genética, do fluxo gênico versus isolamento e de vá- rias formas de seleção natural. Esses pro- cessos foram bem documentados e quanti- ficados, tanto em populações experimen- tais como naturais de numerosas espéci- es. Assim, por exemplo, pode-se afirmar com segurança que a seleção natural exer- ce uma força tão maior do que a mutação sobre muitos caracteres fenotípicos que a direção e a taxa da evolução geralmente Transições no Registro Fóssil: Baleias a partir de Ungulados J. John Sepkoski , Jr. University of Chicago Baleias e golfinhos (cetáceos) são decididamente mamíferos: eles têm sangue quente, amamentam seus filhotes, têm três ossos no ouvido médio. Eles até têm vestígios parciais internos de membros posteriores. O modo exato de parentesco dos cetáceos com os outros mamíferos, entretanto, somente foi esclarecido por com- pleto a partir dos anos ‘60, pela combinação de uma boa análise filogenética com descobertas paleontológicas espetaculares. Sabe-se agora, por meio de uma série contínua de transições encontrada no registro fóssil, que os cetáceos evoluíram durante o início do Eoceno a partir de um grupo primitivo de ungulados carnívoros (mamíferos com cascos) chamados mesoniquídeos. Esse grupo tinha uma cabeça incomumente grande para o tamanho do seu corpo e dentes adaptados para esmagar tartarugas. Portanto, alguns mesoniquídeos deviam viver perto de águas habitadas por tartarugas. O fóssil mais antigo incluído no gênero Cetacea é o Pakicetus, um crânio da camada ribeirinha do Baixo Eoceno do Paquistão. A estrutura do crânio é de cetáceo, mas os dentes são mais parecidos com os dos mesoniquídeos do que com os das baleias modernas com dentes. Um fóssil mais completo, igualmente do Paquistão, mas de depósitos marítimos rasos, é o Ambulocetus do início do Eoceno Médio. Os membros anteriores frontais e os fortes membros traseiros deste animal tinham patas grandes (e ainda com cascos) que podiam servir como nadadeiras e podiam ser viradas para trás como as dos leões marinhos. O Ambulocetus teria sido capaz de se locomover entre o mar e a terra. O mais importante, porém, é que as vértebras da parte baixa do dorso do Ambulocetus tinham uma articulação altamente flexível, que tornava o dorso capaz de executar um forte movi- mento para cima e para baixo, método usado pelos cetáceos modernos para nadar e mergulhar. Em depósitos marítimos do Paquistão um pouco mais recentes, foram encontrados mais dois cetáceos fós- seis, Indocetus e Rodhocetus. Esses animais tinham membros posteriores que provavelmente eram funcionais, mas o Rodhocetus tinha perdido a fusão das vértebras no local onde, nos mamíferos terrestres, a pelve se articula com a coluna vertebral. A perda desta fusão permitia uma flexibilidade ainda maior no movimento dorso-ventral da natação e sugere que este animal não se aventurava muito freqüentemente a ir para a terra, se é que o fazia. O Basilosaurus, de rochas do Eoceno Superior do Egito e dos Estados Unidos, é uma baleia mais moderna, com nadadeiras anteriores para pilotar e uma espinha dorsal completamente flexível. Assim mesmo, ao longo desta espinha dorsal, há vestígios da origem terrestre do Basilosaurus: membros posteriores completos, embora já pequenos, sem articulação com a espinha dorsal e provavelmente não-funcionais. Na evolução posterior dos cetáceos, esses membros posteriores ficaram ainda mais reduzidos, perdendo os artelhos e a rótula, necessários para a locomoção em terra. 37 são impostas pela seleção, embora a mu- tação afinal seja necessária para que pos- sa haver evolução. Os modelos da Genéti- ca de Populações também mostram a ma- neira pela qual vários fatores, como certas formas de seleção natural e de estrutura populacional, mantêm a variação genéti- ca em vez de erodi-la. • A teoria dos processos evolutivos foi es- tendida com sucesso aos dados molecu- lares. Por exemplo, a teoria neutra da evo- lução molecular, uma extensão da teoria da deriva genética desenvolvida na déca- da de 1930, prevê que a maior variação deve ocorrer nas partes funcionalmente menos críticas de um gene. Em uma das muitas confirmações desta teoria, foram experimentalmente induzidas mutações em várias partes de um gene da bactéria Escherichia coli. Como previsto, provou-se que mutações naquelas regiões que dife- rem pouco entre diferentes espécies de bactérias prejudicavam a função enzimá- tica, enquanto mutações em regiões que variam muito entre as espécies tinham pouco efeito (15). • Descobriu-se que as populações são alta- mente variáveis geneticamente. Tanto as técnicas clássicas como as moleculares re- velaram uma ampla variação genética den- tro e entre populações. Certamente, à ex- ceção de gêmeos idênticos, nunca houve dois seres humanos que fossem genetica- mente idênticos. As tarefas que restam são as de explicar de forma mais completa por que esta variação existe, de determinar por que algumas características são genetica- mente mais variáveis do que outras e de descobrir quão prontamente a seleção na- tural consegue transformar esta variação em novas adaptações a diversos desafios ambientais. • Esses altos níveis de variação genética têm várias implicações. Acima de tudo, eles podem permitir que as populações evolu- am rapidamente quando há mudanças ambientais, em vez de terem de esperar que ocorram justamente as mutações cer- tas. O reservatório da variação genética contribuiu para o sucesso da seleção artifi- cial (seleção deliberada feita por humanos) de características desejáveis em plantas de cultivo e em animais domésticos e é res- ponsável por outros exemplos de evolução rápida, como o desenvolvimento de resis- tência a inseticidas em muitas espécies de insetos. • O processo da Evolução pode ser observa- do e estudado diretamente. A existência da variação genética e o contínuo apareci- mento de novas variações genéticas por mutação e recombinação permitem-nos estudar grande número de processos evolutivos — à medida que ocorrem. Estu- dos de bactérias, por exemplo, mostraram que a evolução adaptativa pode basear-se em novas mutações e não somente na va- riação pré-existente (22). Muitas vezes, mudanças adaptativas observadas têm efeitos colaterais deletérios que, se forem suficientemente grandes, podem limitar uma adaptação ulterior. Porém, às vezes, ocorrem mudanças genéticas subseqüen- tes que corrigem esses efeitos colaterais. Por exemplo, populações de uma mosca varejeira que ataca ovelhas desenvolveram resistência ao inseticida diazinon. Inicial- mente, as populações resistentes apresen- taram atraso de desenvolvimento e anor- malidades físicas, mas, mais adiante, es- ses traços diminuíram, devido à seleção de outros genes que melhoraram os efeitos deletérios (32). • Os mecanismos pelos quais surgem novas espécies foram esclarecidos. Embora ain- da haja muitas coisas a serem aprendidas a respeito da especiação, muito já se apren- deu sobre as mudanças genéticas subja- centes a esse processo. Nos animais, pa- rece que a especiação tipicamente envol- ve a divergência entre populações geogra- ficamente separadas, uma vez que os genes que se tornam predominantes em uma população são incompatíveis com os da outra. Estudos genéticos mostraram que, em certos casos, esta incompatibili- dade é causada por um pequeno número de genes, sugerindo que a especiação ocor- reu rapidamente, enquanto, em outros ca- sos, a responsabilidade é de interações en- tre um grande número de genes, implican- do um processo de especiação lento e gradativo. Certos modos de especiação têm maior prevalência em plantas do que em animais, como a especiação por poliploidia (multiplicação de conjuntos inteiros de cromossomos). Algumas espécies selva- 40 entre elas. Portanto, se todos os seres hu- manos fossem extintos, à exceção de uma única tribo em algum lugar da Terra, pelo menos 85% da variação genética que exis- te hoje continuaria presente na futura po- pulação originária daquela tribo sobrevi- vente (40). B. Contribuições para Outras Disciplinas Biológicas No início do século vinte, a maioria dos biólogos recebia uma formação ampla, de modo que muitos deles traziam para a sua pesquisa um enfoque tanto mecanicista, como evolutivo. Muitos geneticistas, por exemplo, motivados por questões evolutivas, contribu- íram tanto para a Teoria da Evolução como para o nosso entendimento dos mecanismos genéticos. Hermann Muller, por exemplo, deu muitas contribuições importantes para a Ge- nética Evolutiva e também ganhou um Prê- mio Nobel pela descoberta de que a radiação causa mutações. Entretanto, com o crescimento da ciên- cia e o crescimento explosivo da informação, a Biologia passou a se fragmentar cada vez mais em subdisciplinas especializadas e os biólogos passaram a receber uma formação cada vez mais limitada. Conseqüentemente, muitos biólogos que trabalham em áreas como a Biologia Molecular e a Neurobiologia têm pouca base de Biologia Evolutiva e des- conhecem as contribuições potenciais dela para as suas disciplinas. Apesar disso, a in- fluência mútua entre a Biologia Evolutiva e as outras disciplinas continuou e, em algumas áreas, aumentou. Poderemos esboçar apenas alguns exemplos das contribuições dos dados e abordagens evolutivos às outras ciências biológicas. • Biologia Molecular. As abordagens evolutivas contribuíram para elucidar a es- trutura do RNA ribossômico, o meio quí- mico responsável pela tradução da infor- mação contida no DNA em estrutura de proteína. O RNA ribossômico tem uma es- trutura secundária composta de alças de seqüências não-pareadas de nucleotídeos e caudas de pares de bases, combinadas de maneira semelhante à estrutura de du- pla hélice do DNA (pareamento de bases de Watson-Crick). Métodos químicos e biofísicos, como a cristalografia de raios X, forneceram algumas informações sobre a estrutura de RNAs de tamanho reduzido, mas foram ineficazes na resolução da es- trutura de RNAs maiores, como o RNA ribossômico. Entretanto, análises filogené- ticas de seqüências de RNA ribossômico de diversas espécies identificaram as regiões evolutivamente conservadas da molécula, fornecendo as bases para a especificação daqueles segmentos que mantêm sua es- trutura secundária por pareamento Watson-Crick. Desta forma, uma inferência feita a partir da análise evolutiva trouxe da- dos fundamentais a respeito da estrutura desses componentes onipresentes e vitais do maquinário da síntese de proteínas (43). Em outra aplicação da análise filogenética, biólogos moleculares deduziram a seqüên- cia de proteínas ancestrais, sintetizaram- nas e examinaram suas propriedades (2, 26). Os genomas dos organismos eucariontes, incluindo os mamíferos, variam muito de tamanho, devido à variação do muitas ve- zes enorme número de seqüências repeti- das de DNA. Além disso, essas seqüências repetidas variam muito quanto à sua se- qüência e organização. Durante muitos anos, elas foram atribuídas à “hipótese do DNA egoísta” (12, 14, 46), que afirma que o DNA repetitivo não tem função nenhu- ma no organismo, mas é propagado por- que qualquer seqüência de DNA capaz de se replicar com sucesso e de ser transmiti- da às gerações subseqüentes tem uma van- tagem seletiva em relação a seqüências com capacidade menor de fazê-lo. Esta teoria deu origem a novos estudos sobre o DNA repetitivo e há cada vez mais evidên- cias de que este DNA às vezes pode ter um papel mais funcional do que se pensava antes. O código genético é redundante. Muitos dos aminoácidos que compõem as proteí- nas são codificados no DNA por várias tríades de nucleotídeos (codons) que dife- rem na posição três do nucleotídeo. Pode- ria-se esperar que os vários codons sinô- nimos para um aminoácido particular ti- vessem a mesma freqüência no DNA, mas é muito comum que um deles seja muito mais freqüente do que os outros, padrão chamado “viés do codon” (“codon bias”). Os biólogos moleculares que se dedicam ao estudo da Evolução alegaram que a se- 41 leção natural poderia ser responsável por esses padrões. Esta seleção teria de ser fra- ca, uma vez que codons sinônimos não diferem em seus efeitos sobre os produtos protéicos que realizam as funções bioquí- micas das quais depende a sobrevivência do organismo. A teoria da Genética de Po- pulações prevê que uma seleção fraca deve ser mais eficaz em populações grandes do que nas pequenas. Conforme previsto por esta teoria, o viés do codon é mais pro- nunciado em organismos como as bacté- rias e as leveduras, cujas populações são enormes, do que nos mamíferos, nos quais elas são muito menores. Portanto, é de fato provável que a seleção natural faça uma escolha entre codons sinônimos, o que deixa a pergunta de quais seriam as dife- renças de mecanismo entre codons sinô- nimos que poderiam afetar a sobrevivên- cia ou a reprodução. Uma das principais hipóteses é a de que a tradução do RNA mensageiro para proteína poderia ser mais eficiente, se a interação com os RNAs de transferência envolvidos na síntese de pro- teínas for realizada por um codon comum e não por vários codons diferentes (5). É desta forma que a pesquisa evolutiva indi- ca o caminho para a pesquisa de mecanis- mos moleculares fundamentais. • Biologia do Desenvolvimento. As seme- lhanças entre embriões de espécies cujas formas adultas são radicalmente diferen- tes estiveram entre as principais fontes de Darwin como provas da Evolução. Grande parte da Embriologia das décadas depois de Darwin preocupou-se com as diferen- ças entre organismos em desenvolvimen- to e com o desenvolvimento como fonte de provas para as relações filogenéticas. No início do século vinte, porém, as aten- ções voltaram-se para os mecanismos do desenvolvimento e a Embriologia tornou- se uma ciência experimental, muito distan- te dos estudos evolutivos. Assim mesmo, alguns biólogos que estudam o desenvol- vimento reconheceram que alguns fenô- menos embriológicos somente podiam ser compreendidos à luz da história evolutiva. A notocorda, por exemplo, somente apa- rece durante um curto período do desen- volvimento dos mamíferos, desaparecen- do em seguida. Ela tem um papel essenci- al, pois induz o desenvolvimento do siste- ma nervoso; porém, a sua mera existência somente pode ser explicada pelo fato de ser uma característica estrutural funcional- mente importante durante toda a vida dos vertebrados primitivos. O papel da noto- corda no desenvolvimento evoluiu nos primórdios da história dos vertebrados e foi por causa deste papel que ela foi mantida nos embriões dos mamíferos, muito depois de sua função estrutural em seus ancestrais ter sido substituída pela evolução da coluna vertebral óssea. Está ocorrendo atualmente uma retomada da interação entre a Biologia do Desenvol- vimento e a Biologia Evolutiva, em parte por causa de uma renovada atenção para o desenvolvimento por parte dos biólogos que se dedicam ao estudo da Evolução e, em parte, por causa de comparações entre espécies de genes que têm papel crítico no desenvolvimento. A abordagem compara- tiva forneceu, por exemplo, descobertas vitais sobre a função de genes envolvidos no desenvolvimento ocular e sobre os me- canismos de morfogênese do olho. Na Su- íça, Walter Gehring e seu grupo de pesqui- sa descobriram recentemente que um sis- tema semelhante de controle genético do desenvolvimento ocular prevalece nos in- setos e nos mamíferos e talvez se aplique a todos os animais. De fato, eles descobri- ram que um gene que controla o desen- volvimento ocular em mamíferos, quando transplantado em moscas de frutas Drosophila, pode induzir o desenvolvimen- to dos olhos de insetos, que são tão dife- rentes. A característica chave deste siste- ma genético é um único gene seletor, que inicia a formação ocular e parece regular a atividade dos numerosos outros genes que contribuem para o desenvolvimento ocu- lar (21). Esta característica comum traz uma vantagem prática: insetos e outras espécies animais, que são mais fáceis e menos dispendiosos de estudar do que se- res humanos, podem ser utilizados como modelos para aperfeiçoar a nossa compre- ensão das bases genéticas e do desenvol- vimento das malformações oculares con- gênitas e hereditárias, bem como o seu di- agnóstico e possível tratamento, com a certeza de que o conhecimento derivado dessas espécies pode ser aplicado de for- ma significativa à espécie humana. 42 • Fisiologia e Morfologia. A Biologia Evolutiva influenciou por muito tempo o estudo da fisiologia de animais e plantas e pode trazer muitas outras contribuições que somente agora estão sendo desenvol- vidas. Algumas dessas contribuições terão influência sobre o campo da fisiologia hu- mana, incluindo áreas correlatas como a medicina esportiva e a psicologia clínica; outras trarão avanços na nossa compre- ensão dos mecanismos fisiológicos bási- cos e de suas aplicações a áreas como a medicina, a agricultura e a ciência veteri- nária (20). A Fisiologia Evolutiva inclui o estudo de funções fisiológicas em espécies que ocu- pam ambientes diferentes. Foram desco- bertos muitos mecanismos interessantes de lidar com ambientes extremos, aprofun- dando a nossa compreensão da fisiologia e da bioquímica. Foram descobertas pro- teínas que impedem a formação de cris- tais de gelo nas células de peixes antárti- cos que vivem em águas próximas do ponto de congelamento. Estudos de mamíferos mergulhadores, como as focas, forneceram conhecimentos sobre como esses animais conseguem manter suas funções sem res- pirar por longos períodos de tempo em pressões elevadas — dados que repercu- tem na fisiologia dos mergulhadores hu- manos. Outro exemplo traz conseqüênci- as para o controle do pH sangüíneo duran- te cirurgias a coração aberto (66). Em ge- ral, essas cirurgias são facilitadas pelo resfriamento do corpo, diminuindo-se com isso a freqüência cardíaca. O resfriamento do corpo eleva o pH sangüíneo e os clíni- cos têm considerado isso como um “pro- blema” a ser resolvido ajustando-se o pH ao nível encontrado na temperatura nor- mal do corpo (37°C). Entretanto, especia- listas em fisiologia comparada salientaram que, em animais ectotérmicos, como os répteis, normalmente o pH sangüíneo se eleva à medida que a temperatura corpo- ral cai, sem causar efeitos adversos. Este reconhecimento levou a mudanças na con- duta referente à hipotermia cirúrgica. A teoria e os métodos da Genética Evolu- tiva podem contribuir para a nossa com- preensão da base da variação intraespe- cífica das funções fisiológicas. Esses mé- todos têm sido amplamente usados, por exemplo, para descrever até que ponto as diferenças fisiológicas entre um organis- mo e outro se devem a diferenças genéti- cas (“natureza”) versus ajustes individuais a variáveis ambientais (“criação”). Um des- ses métodos é a seleção artificial de carac- terísticas fisiológicas. Mudanças evolutivas induzidas pelo homem em populações ex- perimentais mostraram que características como a tolerância ao álcool e à tempera- tura e a capacidade de aprender são influ- enciadas por genes. Em populações que foram alteradas por seleção artificial, a pro- cura por características que sofreram mu- danças correlatas pode revelar candidatos a mecanismos fisiológicos subjacentes à variação. Características que possam afe- tar a senescência estão sendo procuradas em populações experimentais de Droso- phila e do nematódeo Caenorhabditis elegans, nos quais se conseguiu atrasar a maturidade por meio da seleção artificial (27, 53). Em outros estudos, estão sendo selecionadas populações de ratos com di- ferentes níveis de atividade, a fim de de- terminar se essas diferenças interferem ou não na saúde, no tempo de vida ou na re- produção das fêmeas (como pode ocorrer nos humanos). Uma vez que os dados hu- manos desse tipo são não-experimentais e de difícil interpretação, esses estudos de modelos animais podem dar muitas con- tribuições. • Neurobiologia e Comportamento. Os tra- ços comportamentais evoluem exatamente como as características morfológicas e, como elas, muitas vezes são extremamente semelhantes em espécies com parentesco próximo. Estudos filogenéticos do compor- tamento forneceram exemplos de como certos comportamentos complexos, como as exibições de cortejo de certas aves, evo- luíram a partir de comportamentos ances- trais mais simples. Os biólogos que se dedicam ao estudo da Evolução vêm trabalhando muito com as contribuições relativas dos genes e da ex- periência (aprendizado, no sentido amplo) para a variação do comportamento, tendo mostrado que elas diferem, dependendo da característica e da espécie. No âmbito do esforço para compreender como a seleção natural atuou sobre o componente genéti- co da variação, a fim de moldar comporta- 45 • Genética evolutiva do desenvolvimento. Dados comparativos referentes às bases genéticas e mecânicas do desenvolvimen- to de diversos vertebrados e outros orga- nismos lançarão muita luz sobre os meca- nismos do desenvolvimento humano. Tais estudos contribuirão para a nossa compre- ensão das bases dos defeitos hereditários e de outros defeitos congênitos humanos, podendo acabar sendo úteis no desenvol- vimento de terapias gênicas. • Mecanismos e evolução da resistência a antibióticos. Estudos genéticos, filogené- ticos e bioquímicos comparativos de bac- térias, protistas, fungos, helmintos e outros parasitas ajudarão a identificar os alvos dos antibióticos. A rápida evolução da resistên- cia a antibióticos em patógenos previamen- te suscetíveis coloca-nos diante da neces- sidade vital de um estudo evolutivo, com o objetivo de se compreenderem os meca- nismos de resistência, sua taxa de evolu- ção, fatores que podem limitar esta evolu- ção e maneiras de preveni-la ou combatê- la. • Virulência do parasita e resistência do hospedeiro. Os estudos evolutivos das interações parasita/hospedeiro, usando tanto sistemas de modelos como parasitas e patógenos humanos, estão apenas co- meçando a determinar as condições que levam os parasitas a se tornarem mais vi- rulentos ou mais benignos. Os geneticistas e ecólogos que se dedicam ao estudo da Evolução precisam elaborar uma teoria geral, preditiva da evolução e da dinâmica populacional dos patógenos e de seus hos- pedeiros, especialmente para organismos de evolução rápida, como o HIV, e para espécies de hospedeiros de migração rápi- da, como o ser humano moderno. Também são necessárias análises da variação ge- nética da resistência a patógenos, tanto no homem como em outros hospedeiros. • Epidemiologia e ecologia evolutiva de patógenos e parasitas. Doenças novas e outras que ressurgiram têm aparecido como importantes ameaças à saúde públi- ca e outras provavelmente o farão no futu- ro. Os biólogos estudiosos da Evolução podem ajudar de várias maneiras os esfor- ços de combate a essas ameaças. O rastreamento e o estudo da filogenia de organismos relacionados com patógenos conhecidos (p. ex., vírus de outros primatas e vertebrados) podem permitir que os pes- quisadores identifiquem patógenos com potencial para entrarem na população hu- mana. Estudos genéticos, ecológicos e filogenéticos de patógenos novos e emer- gentes (p. ex., o hantavírus e o espiroqueta da doença de Lyme) podem elucidar suas origens, suas taxas e modos de transmis- são, bem como as circunstâncias ecológi- cas que levam a surtos ou à evolução de uma maior virulência. Estudos experimen- tais de sistemas modelo, incluindo orga- nismos relacionados com patógenos co- nhecidos, podem identificar os mecanis- mos de virulência e os fatores genéticos e ambientais que influem na resistência a drogas. (Naturalmente, estudos desse tipo também serão relevantes para plantas de safra e animais domésticos, bem como para populações selvagens de importância econômica, como os peixes). Agricultura e recursos biológicos Assinalamos acima as numerosas ma- neiras pelas quais a Biologia Evolutiva têm estado intimamente ligada à agricultura e ao gerenciamento de recursos biológicos, como as florestas e a pesca. O espectro de contri- buições futuras nestas áreas é imenso. Sali- entamos apenas alguns dentre os tópicos mais importantes a serem seguidos. • Resistência a pesticidas. A despeito dos novos métodos alternativos de controle de pragas, o uso criterioso de pesticidas indubitavelmente continuará sendo indis- pensável. A evolução da resistência a pesticidas em insetos, nematódeos, fungos e ervas daninhas é um problema econô- mico sério, que requer muita atenção. Isto exigirá estudos sobre a genética e os me- canismos fisiológicos da resistência, estu- dos de dinâmica das populações e a ela- boração de métodos para limitar ou retar- dar a evolução da resistência. • Alternativas no controle de pragas. Será importante incluir considerações evoluti- vas na avaliação de muitos métodos alter- nativos de controle de pragas, como a mis- tura intra e inter-cultivares ou o desenvol- vimento de plantas transgênicas portado- ras de fatores de resistência que as prote- gem contra insetos ou outras pragas. Ex- 46 perimentos mostraram, por exemplo, que as pragas do tabaco são capazes de se adaptar ao tabaco transgênico portador de uma toxina bacteriana, evidenciando a necessidade de estudos sobre a variação genética das respostas dos insetos às sa- fras transgênicas. Existe um potencial enorme para o uso transgênico dos incon- táveis compostos secundários e de outras propriedades das plantas selvagens, que as protegem contra insetos e patógenos. O rastreamento experimental e filogenético desses fatores naturais de resistência deve mostrar-se compensador. O vasto campo da Ecologia Evolutiva que lida com com- postos secundários de plantas e com as interações entre plantas e os insetos e fun- gos que são seus inimigos é relevante para este esforço. Será importante analisar os efeitos fisiológicos dos fatores naturais de resistência sobre os organismos que cons- tituem pragas, os mecanismos pelos quais alguns insetos e fungos superam seus efei- tos e a variação genética das respostas das espécies-alvo aos fatores naturais de re- sistência. • Diversidade genética em organismos de importância econômica. A produção de alimentos, fibras e produtos florestais têm sido expressivamente melhorada, ao lon- go da história, pela exploração da varia- ção genética e os métodos para isso bene- ficiaram-se de informações de grande pro- fundidade da Biologia Evolutiva. Juntos, os cientistas estudiosos da Evolução e da agri- cultura utilizarão o mapeamento de LCQ (locos de características quantitativas) e outros métodos, a fim de localizar os genes para traços importantes das plantas, como a resistência a patógenos e a pressões ambientais, e de elucidar as bases de seus mecanismos. Tais estudos também aten- derão os interesses da ciência básica e de seus pesquisadores interessados nas adap- tações das plantas aos fatores ambientais. Estudos semelhantes sobre plantas selva- gens localizarão genes para traços úteis, que podem ser transferidos para plantas de safra por meio da engenharia genética. Pro- gramas de pesquisa desse tipo utilizarão princípios e informações provenientes de estudos sobre filogenia e adaptação das plantas. A tarefa de importância vital de desenvolver e manter bancos de germo- plasma (i. é, armazenar a diversidade ge- nética das plantas de safra e seus parentes para necessidades futuras) continuará a depender de estudos da variação entre e dentro das populações. • Pesca. Vários tipos de estudos evolutivos foram e continuarão sendo importantes no gerenciamento da pesca comercial e espor- tiva. Marcadores genéticos moleculares ajudarão os pesquisadores a distinguir as populações reprodutoras e as rotas de mi- gração de espécies como o bacalhau e o salmão. O estudo da evolução de caracte- rísticas de ciclo de vida, como a taxa de crescimento e a idade de maturação, per- mitirão aos gestores avaliar os efeitos ge- néticos e demográficos do período de pes- ca sobre as populações de peixes. Em re- lação a certas espécies de peixes mantidas em grandes criadouros, será útil a realiza- ção de estudos genéticos e fisiológicos da adaptação a diferentes ambientes e do va- lor adaptativo apresentado neles. Os pro- jetos de grandes criadouros também inclui- rão o uso de peixes transgênicos, que ain- da se encontram nos estágios iniciais de desenvolvimento. Produtos e processos naturais A indústria farmacêutica e outras indús- trias estão procurando ativamente novos pro- dutos e processos, rastreando plantas, animais e microrganismos (33). Em função de suas im- plicações comerciais, a busca e o desenvolvi- mento de novos produtos e processos levan- ta questões sérias na legislação sobre paten- tes e no direito internacional, além da publi- cação de dados científicos que ultrapassam a finalidade deste relatório, mas que afetarão os compromissos e as atividades dos pesqui- sadores científicos. Os estudos evolutivos da- rão grande contribuição à pesquisa e ao de- senvolvimento, resultando na descoberta de muitos produtos e processos novos. • Sistemática e filogenia. A documentação da diversidade dos organismos potencial- mente úteis é o fundamento de todo o tra- balho subseqüente. Isto foi reconhecido, por exemplo, pela Comissão Presidencial de Assessores para Ciência e Tecnologia dos EUA (48) e pelas companhias farma- cêuticas que financiaram inventários de biodiversidade na Costa Rica e em outros lugares. O aspecto filogenético da Sistemá- tica é crucial no direcionamento dos pes- 47 quisadores para espécies aparentadas com aquelas nas quais já foram encontrados compostos ou vias metabólicas potencial- mente úteis, uma vez que espécies aparen- tadas podem ter propriedades semelhan- tes, talvez até mais eficazes. A sistemática de bactérias, protistas, fungos e outros or- ganismos inconspícuos é muito pouco co- nhecida e exige ampla investigação. • Estudos de adaptação. Antibióticos, fato- res de resistência para uso em plantas de safra transgênicas e outros produtos natu- rais úteis poderão ser descobertos estudan- do-se os mecanismos químicos de compe- tição entre fungos e microrganismos, as defesas das plantas contra seus inimigos naturais, bem como as ceras, esteróides, terpenos, hormônios e incontáveis outros compostos utilizados pelos organismos com fins adaptativos diversos. • Estudos genéticos e fisiológicos. Bacté- rias, leveduras e outros microrganismos têm capacidades metabólicas extrema- mente diversificadas. Deles originaram-se a penicilina, a enzima polimerase usada no seqüenciamento do DNA e importantes processos industriais de fermentação, biossíntese e biodegradação. A indústria prevê que “podem-se esperar grandes avanços no bioprocessamento a partir da futura exploração da biodiversidade ainda não explorada da terra e do mar” (30). No entanto, a maioria dos microrganismos ainda não foi descrita e caracterizada, as capacidades fisiológicas da maioria deles são desconhecidas e há poucas informa- ções disponíveis a respeito de sua diversi- dade genética ou de que tipos de novas ca- pacidades metabólicas possam surgir por mutação. Pesquisadores com formação em Genética Evolutiva, Fisiologia e Sistemáti- ca darão importantes contribuições a esta área. Meio ambiente e conservação Os princípios evolutivos são de aplica- ção imediata na conservação de espécies e ecossistemas raros e ameaçados; de fato, muitos dos principais biólogos conservacio- nistas vêm desenvolvendo pesquisas em Bio- logia Evolutiva Básica. A Biologia Evolutiva também pode esclarecer questões de gerenciamento ambiental com conseqüênci- as diretas sobre a saúde e o bem-estar huma- nos. Destacamos aqui apenas algumas das necessidades de estudos evolutivos nos cam- pos do gerenciamento e da conservação ambientais. • Biorremediação. O termo biorremediação refere-se basicamente à utilização de or- ganismos (especialmente bactérias e plan- tas) para a despoluição de derramamen- tos e toxinas, o tratamento de esgotos e a recuperação de solos degradados. A Bio- logia Evolutiva pode contribuir com o uso da biorremediação identificando espécies ou linhagens genéticas com propriedades desejáveis, sabendo quais são os agentes da seleção natural que dão origem a essas propriedades e identificando as condições que favorecem a persistência dos organis- mos úteis. Conhecem-se bactérias capazes de degradar bifenilas policloradas (BPCs) e outros contaminantes persistentes, mas não se sabe se esta capacidade é caracte- rística de certas espécies ou se ela se de- senvolve in situ, pela seleção de mutações novas. A comunidade de bactérias envol- vida no tratamento de esgotos passa por uma mudança de composição durante o processo, mas os papéis da alternância de espécies versus mudança genética no me- tabolismo das espécies persistentes são desconhecidos. A Genética Evolutiva e a Sistemática, junto com a ecologia e fisio- logia microbianas, devem continuar a dar importantes contribuições a esta e outras questões referentes à biorremediação. • Introduções não planejadas. Muitas das nossas pragas mais sérias, incluindo ervas daninhas, insetos, os dinoflagelados das marés vermelhas e o molusco Dreissena polymorpha (zebra mussel), causam os da- nos de maior monta em regiões nas quais não são nativos. O Departamento de Agri- cultura dos EUA instituiu procedimentos de quarentena, com o intuito de prevenir tais introduções. O advento da engenharia ge- nética despertou preocupações quanto à evasão de microorganismos, plantas, pei- xes ou outros organismos vigorosos e ge- neticamente novos e quanto à possibilida- de de genes para novas capacidades se propagarem por hibridização entre orga- nismos transgênicos e selvagens, transfor- mando espécies benignas em novas pra- gas. Os biólogos que se dedicam ao estu- do da Evolução vêm determinando ativa- 50 gas e organismos causadores de doenças não “sofrem mutação” ou “desenvolvem” resistên- cia a drogas meramente — eles evoluem para a resistência. Maiores esforços no ensino da Evolução e de assuntos correlatos também são necessários, tanto no nível universitário, como no secundário. B. Ciência Básica A pesquisa sobre Evolução está progre- dindo em muitas frentes, mas o que ainda não se conhece ultrapassa de muito aquilo que se conhece. Em algumas áreas, temos simples- mente menos informações do que deveríamos ter (por exemplo, os conhecimentos sobre a história da diversidade no registro fóssil são muito incompletos). Em outros casos, fizeram- se tentativas de responder perguntas usando- se apenas um ou alguns sistemas de estudo e não sabemos até que ponto essas respostas podem ser generalizadas. (Por exemplo, os números de genes que contribuem para o iso- lamento reprodutivo entre espécies foram descritos para algumas espécies de Droso- phila, mas apenas para poucos outros tipos de organismos). Em muitos casos, obtiveram- se provas a favor ou contra uma ou várias das hipóteses concorrentes, mas a gama comple- ta de hipóteses ainda não foi testada adequa- damente. (Das várias hipóteses que poderi- am explicar as vantagens da reprodução sexuada, somente algumas foram testadas). Algumas questões que vêm de longa data re- sistiram à análise até pouco tempo atrás, mas novas técnicas parecem muito promissoras. (A questão de como evoluem as vias do de- senvolvimento é um exemplo bem evidente). Especialmente na Biologia Molecular, foram descobertos fenômenos inteiramente novos que demandam explicações e entendimento evolutivo. Estamos prevendo para os próximos dez ou vinte anos um progresso virtualmente sem precedentes da Biologia Evolutiva Básica, des- de que haja apoio adequado para a pesquisa e a formação de jovens pesquisadores. Nesta seção, relacionamos algumas das áreas nas quais o progresso é particularmente desejá- vel e factível, dadas as técnicas atuais e os avanços técnicos que podem ser previstos para o futuro próximo. Embora, sem dúvida, muitos biólogos estudiosos da Evolução fari- am acréscimos a esta lista, as questões e de- safios de alta prioridade que se seguem re- presentam um consenso entre biólogos dedi- cados ao estudo da Evolução de diversas es- pecialidades e abordagens. Agrupamos estas questões de pesquisa em várias categorias, que são de igual importância e prioridade. Teoria e técnica. Grande parte da pesquisa em Evolução foi conduzida pela teoria (freqüentemente ma- temática), que levanta hipóteses, fornece pre- visões ou expectativas exatas, restringe a in- terpretação dos dados e muitas vezes especi- fica o tipo de dados necessários para testar uma hipótese. A formação de teóricos da Evo- lução continua sendo de grande importância. Entre as numerosas áreas que requerem mais trabalho teórico estão: • o desenvolvimento continuado da teoria coalescente, usada para inferir processos evolutivos a partir de “árvores gênicas”; • o desenvolvimento da teoria da relação entre as filogenias dos genes e as filogenias das espécies e populações; • trabalhos teóricos adicionais sobre árvo- res filogenéticas, por exemplo, métodos para comparar e avaliar as árvores, para inferir a história da evolução dos caracteres a partir da sua distribuição filogenética e para inferir processos evolutivos a partir da estrutura das árvores; • o desenvolvimento da teoria da Genética de Populações para sua aplicação a tópi- cos insuficientemente explorados, como a natureza e as conseqüências evolutivas das interações gênicas, das interações genes- ambiente e a evolução de traços poligê- nicos com arquiteturas genéticas diferen- tes; • desenvolvimento de modelos de otimiza- ção para a análise da evolução do com- portamento, dos ciclos de vida e de outros traços fenotípicos; • modelos de mudanças evolutivas das vias de desenvolvimento; e • modelos preditivos da co-evolução de es- pécies que interagem. Toda pesquisa depende de avanços nas técnicas. Os métodos moleculares e outros métodos experimentais tiveram grande influ- 51 ência sobre a pesquisa da Evolução, mas a Biologia Evolutiva depende também, e talvez de forma singular, de métodos analíticos, es- tatísticos e numéricos (computacionais). No futuro, a pesquisa em Evolução exigirá pro- gressos particularmente de: • métodos de busca e manipulação de gran- des quantidades de dados, como seqüên- cias de DNA; • aperfeiçoamento dos métodos de proba- bilidade máxima e outros procedimentos estatísticos para a análise de dados de ge- nética de populações (p. ex., marcadores moleculares de sistemas de acasalamento); • métodos de alinhamento de diferentes se- qüências de DNA; • aperfeiçoamento dos métodos de análise filogenética (como assinalado acima); e • aperfeiçoamento dos métodos de mapeamento fino de locos para traços quantitativos. História Evolutiva. Descrever e explicar a história da Evo- lução é um dos principais objetivos da Biolo- gia Evolutiva. Este objetivo é alcançado prin- cipalmente usando-se métodos filogenéticos, discutidos abaixo, e estudos paleobiológicos. As metas prioritárias da Paleobiologia inclu- em: • uma história mais completa da diversida- de da vida ao longo do tempo, especial- mente das bactérias e de outras formas de vida durante os primeiros cinco sextos da história da vida (a era Pré-cambriana); • melhores dados e métodos para testar hi- póteses referentes às causas da variação (entre períodos de tempo e entre taxa) das taxas de especiação, extinção e diversifi- cação (incluindo a responsabilidade tanto pela extinção em massa, como de fundo, sendo esta última particularmente mal en- tendida); • uma melhor compreensão dos mecanis- mos de adaptação e das limitações a ela impostas durante acontecimentos históri- cos singulares, como a aparentemente ex- plosiva origem da diversidade animal e a colonização da terra por plantas e artrópodes; • uma explicação para as diferenças entre taxa quanto à sua suscetibilidade a extinções em massa e sua posterior recu- peração; • uma melhor compreensão das seqüências comuns de eventos evolutivos que suce- deram extinções em massa, incluindo ex- pansões maciças de espécies de ervas da- ninhas e as escalas de tempo característi- cas da recuperação dos ecossistemas — dois fatos relacionados com a atual crise de biodiversidade; e • uma descrição mais completa da história e da taxa de evolução de caracteres e das correlações entre caracteres, em linhagens em evolução (esses dados são necessários para se testar grande número de hipóte- ses, como a do “equilíbrio pontuado”. Sistemática. Os estudos sistemáticos contribuem para o nosso conhecimento sobre a história da Evo- lução. Também podem ser usados para testar hipóteses referentes a processos evolutivos, pela inferência da seqüência e do tempo de ramificação de linhagens e da seqüência e taxa de mudança de suas características. Re- centemente, o aperfeiçoamento dos métodos analíticos e dos dados fez com que a Siste- mática se tornasse um campo muito mais vi- brante e rigoroso do que já foi, mas ainda resta muito por fazer. Entre os desafios mais im- portantes estão: • Documentar a diversidade dos organismos vivos. As estimativas do número de espé- cies vivas variam muito. No que diz res- peito a bactérias, protistas, fungos, nema- tódeos, ácaros e muitos grupos de insetos, a maioria das espécies provavelmente ain- da não foi descrita, embora esses grupos exerçam papéis extremamente importan- tes nos ecossistemas e incluam muitas for- mas que têm conseqüências diretas sobre o bem-estar humano. Um inventário com- pleto dos organismos vivos e de suas ca- racterísticas biológicas fornecerá para a Ecologia, a Biologia Evolutiva e outras ci- ências biológicas o mesmo tipo de funda- mento que os levantamentos geológicos fornecem às ciências da terra e às indús- 52 trias extrativistas. Reconhecendo a biodi- versidade como “capital vivo”, um grupo de especialistas da Comissão Presidencial de Assessores para Ciência e Tecnologia dos EUA (President’s Committee of Advisors on Science and Technology) re- comendou um aumento substancial dos investimentos na descoberta de espécies, na análise filogenética e genética da diver- sidade e em coleções de museus, herbários e o restante da infraestrutura da Sistemá- tica (48). • “Aumentar a árvore da vida”. Foram desen- volvidas estimativas de filogenia para uma pequena minoria de taxa e mesmo essas poucas estimativas já foram amplamente usadas para testar hipóteses em muitas áreas da Biologia e da Ecologia Evolutivas. Uma das altas prioridades da Sistemática Evolutiva deve ser a elaboração de um número maior (e mais sólido) de árvores filogenéticas, abrangendo toda a gama de organismos vivos e extintos. Tais árvores podem ser unidas sucessivamente para a construção de uma filogenia de toda a vida. Quanto mais completa essa árvore da vida, melhor ela servirá como estrutura organi- zadora para dados biológicos de todos os tipos e como base para que incontáveis hipóteses sejam testadas. Para a realiza- ção de tudo isso, serão indispensáveis ban- cos de dados de amplo acesso, para o armazenamento de estimativas filogené- ticas. • Aperfeiçoar os métodos de inferência, ava- liação e uso das filogenias para testar hi- póteses. Por exemplo, os métodos estatís- ticos existentes para a determinação da confiança a ser depositada numa árvore filogenética provavelmente serão substitu- ídos. Métodos para se usar a estrutura das árvores para a determinação de diferenças nas taxas de diversificação entre grupos ainda estão sendo desenvolvidos. • Desenvolver bases teóricas e empíricas para a integração da história filogenética com os processos evolutivos. Os pesqui- sadores precisam achar maneiras de reu- nir a teoria com os dados sobre os proces- sos evolutivos e os procedimentos de inferência filogenética, a fim de criarem uma teoria da Biologia Evolutiva plena- mente integrada. Especiação. Talvez nenhum dos principais tópicos da Biologia Evolutiva seja tão difícil e contro- verso quanto a especiação, em parte porque, em geral, o seu progresso é rápido demais para estar completamente documentado no registro fóssil, mas lento demais para ser ob- servado dentro do prazo de vida de um pes- quisador. Necessitamos de abordagens novas, que já estão despontando no horizonte, para que sejam respondidas algumas das mais im- portantes perguntas referentes a esse proces- so, que é a origem da diversidade biológica. • Diferenças de caracteres entre espécies recém-formadas, especialmente aquelas capazes de impedir a troca de genes entre elas, devem ser caracterizadas genetica- mente e quanto aos seus mecanismos. Isto quer dizer que precisamos conhecer não somente o número e a localização dos genes envolvidos (estimados apenas em poucos casos), mas também os efeitos li- gados ao desenvolvimento ou bioquímicos pelos quais as diferenças gênicas causam isolamento reprodutivo e outras diferenças de caracteres. • Os processos causadores da especiação precisam ser determinados. Se a respon- sável pela especiação é, em geral, a sele- ção, a deriva genética ou uma combina- ção das duas, é uma questão importante e ainda não resolvida. Se a causa, em geral, for a seleção, os agentes da seleção terão de ser identificados. • A rapidez e a previsibilidade da especiação precisam ser determinadas. Não sabemos se inevitavelmente populações isoladas se tornam espécies diferentes, com que velo- cidade ocorre a especiação ou se as taxas dependem dos taxa ou de condições ambientais. Também precisamos conhecer o grau de isolamento geográfico necessá- rio para a especiação. Genética Evolutiva. A Genética Evolutiva, incluindo a Gené- tica de Populações, tem um papel importante na teoria e na análise da evolução dos carac- 55 sempenhados por fatores “externos” (p. ex., fontes de seleção ecológicas) e “internos” (p. ex., correlações genéticas, restrições im- postas pelo desenvolvimento) na determi- nação das taxas evolutivas. • Desenvolver e testar teorias sobre a evo- lução de séries de caracteres correlacio- nados, quer pela função, quer pelos seus fundamentos genéticos e de desenvolvi- mento. Como determinamos quais os caracteres que evoluirão em conjunto, ou como muda o grau de correlação ao longo do tempo de evolução? • Desenvolver e testar empiricamente teori- as sobre a evolução de uma grande classe de caracteres interessantes, como: • reprodução sexuada versus assexuada, variações nos mecanismos de determi- nação sexual, endogamia versus exo- gamia e outros aspectos dos sistemas de procriação; • caracteres sexualmente selecionados; • os mecanismos do comportamento, in- cluindo substratos neurais e controles hormonais; • os mecanismos pelos quais os organis- mos respondem a ambientes que vari- am, como plasticidade fenotípica, aprendizado, dispersão e aclimatação fisiológica; • tolerância fisiológica de variáveis am- bientais, como temperatura, disponibi- lidade de água, toxinas ambientais e ali- mentares; • estruturas morfológicas e vias bioquí- micas complexas; e • a amplitude das dietas, do uso do habitat e da distribuição geográfica das espéci- es. Evolução de interações e comunidades ecológicas. Cerca de 30 anos atrás, os ecólogos es- tudiosos da Evolução esperavam explicar ca- racterísticas importantes de comunidades ecológicas, como a diversidade de espécies e a estrutura da rede alimentar, desenvolvendo uma teoria de interações entre espécies, ba- seada tanto na Evolução como na demografia. Os progressos em direção a esse objetivo fo- ram modestos por várias razões, incluindo a complexidade das comunidades e o fato de, no passado, não terem sido levados suficien- temente em consideração os efeitos da histó- ria evolutiva e geológica. Parece estar surgin- do uma ecologia mais pluralista das comuni- dades (52), na qual a história e os processos evolutivos terão papéis essenciais. As áreas prioritárias de pesquisa incluem: • desenvolvimento de métodos para a iden- tificação e quantificação dos efeitos da his- tória evolutiva e ambiental sobre a com- posição das comunidades e sobre as mu- danças dinâmicas nas comunidades; • elaboração e teste de teorias sobre os efei- tos da variação genética e das mudanças evolutivas sobre a estabilidade das intera- ções entre espécies e sobre a extinção vs. persistência, diante de mudanças biológi- cas e ambientais; • elaboração e teste de hipóteses para justi- ficar os limites da distribuição ecológica e geográfica das espécies; • desenvolvimento de métodos para distin- guir os efeitos da co-evolução e reunião de espécies sobre a composição e estrutu- ra das comunidades; • elaboração e teste de teorias preditivas sobre a co-evolução de espécies que interagem, incluindo: • interações hospedeiro/parasita e a evo- lução de virulência e resistência em patógenos e seus hospedeiros; • interações mútuas, especialmente aque- las envolvendo simbiontes microbianos, incluindo a estabilidade dos mutua- lismos e seu papel na estrutura da co- munidade; • competição entre espécies, incluindo sua importância e conseqüências evolutivas; e • co-evolução difusa — i.é, a dinâmica evolutiva de interações complexas en- tre espécies múltiplas. 56 • elaboração e teste de teorias sobre os efeitos da Evolução sobre propriedades de ecossistemas (p. ex., produtividade, alternância de nutrientes) e os efeitos dessas propriedades sobre o ambiente fí- sico. Se quisermos tornar realidade a grande promessa que a Biologia Evolutiva encerra, tanto para a Ciência Básica como para a Apli- cada e também para a Educação, precisare- mos de mais verbas para pesquisa, mecanis- mos estruturais e fundações educativas. As sugestões e recomendações que vêm a seguir, para cada uma dessas áreas, devem acelerar o progresso em direção aos objetivos descri- tos na seção anterior. A. Progredir na Compreensão pela Pesquisa A velocidade do progresso e as realiza- ções de uma ciência dependem fundamental- mente do nível de financiamento para uma pesquisa acurada e das políticas e mecanis- mos que regem sua distribuição. Aí estão in- cluídas iniciativas de pesquisa, alocações para grandes projetos colaborativos versus progra- mas baseados em pesquisadores individuais, além de cargos permanentes em universida- des e outros estabelecimentos de ensino su- perior, institutos, órgãos e corporações. O de- senvolvimento de novos rumos na pesquisa precisa ser deliberadamente incentivado, a fim de superar as limitações das fontes tradicio- nais de financiamento da pesquisa e poder manter o potencial de progresso, tanto na frente básica, como na aplicada. Estas consi- derações levam às seguintes recomendações para promover a pesquisa no campo da Evo- lução: • Pesquisa interdiscipl inar. Sendo a interdisciplinariedade uma característica inerente à Biologia Evolutiva, a troca de idéias, informações e técnicas é importan- te, tanto entre as subdisciplinas da Biolo- gia Evolutiva, como entre os biólogos que se dedicam ao estudo da Evolução e pes- quisadores de outras disciplinas, biológi- cas e não-biológicas. Insistimos energica- mente em que sejam estabelecidos meca- nismos que incentivem a colocação da Evolução como tema central de pesquisas interdisciplinares, talvez por meio de pa- trocínios para a realização de workshops anuais sobre temas interdisciplinares, co- ordenados pelos órgãos nacionais ou so- ciedades científicas apropriados. Tais workshops seriam estruturados de modo a promover a troca de idéias e a demons- tração de técnicas, e seu propósito seria o de incentivar colaborações em pesquisa que, de outra maneira, poderiam não ocor- rer. Consideraríamos a possibilidade de reunir biólogos estudiosos da Evolução com pesquisadores de campos como a Bi- ologia do Desenvolvimento, a Neurobio- logia, a Endocrinologia, a Microbiologia, as Ciências da Computação e muitas outras. • Workshops de treinamento intensivo. Em vista do rápido progresso que está ocor- rendo na tecnologia molecular, na compu- tação, na análise de dados e em outras áre- as das Ciências da Evolução e de outras ciências biológicas, os pesquisadores so- mente podem esperar ter uma carreira lon- ga e produtiva, se se mantiverem atualizados em relação aos novos desen- volvimentos. Recomendamos a implanta- ção de workshops anuais dedicados ao trei- namento intensivo em novas técnicas. Es- ses workshops também seriam coordena- dos pelos devidos órgãos de financiamen- to ou sociedades científicas. O propósito de tais workshops difere do desenvolvi- mento explícito de pesquisas interdiscipli- nares descrito no item anterior. • Manutenção do financiamento de pro- gramas de pesquisa individuais. Uma quantidade considerável de discussões tem-se concentrado no valor de diversos programas desenvolvidos em laboratórios individuais, com verbas de escala relativa- mente modesta, em comparação com pro- jetos grandes que requerem a colaboração entre numerosos laboratórios. Em alguns campos da ciência, projetos de grande es- cala são os mais eficazes, até mesmo es- VIII. MECANISMOS PARA ENFRENTAR OS DESAFIOS DO FUTURO 57 senciais. Na Biologia Evolutiva, certos pro- jetos grandes e coordenados podem, de fato, exercer um papel importante. Exem- plos de projetos desse tipo incluem o de- senvolvimento de bancos de dados para dados paleontológicos, filogenéticos e ou- tros dados sobre biodiversidade, dados so- bre diversidade humana e similares. Entretanto, a Biologia Evolutiva, refletin- do a diversidade do seu assunto, progre- diu graças ao intercâmbio de idéias, prin- cípios e dados, provenientes de pesquisa- dores individuais de cada uma de suas subdisciplinas. Por isso, asseveramos o destacado valor dos programas de pesqui- sa individuais. • Reconhecimento, tanto das contribui- ções de sistemas modelo bem estudados, como de sistemas diversos. Alguns cam- pos da Biologia progridem, em grande par- te, graças à concentração primária em al- guns sistemas modelo, como a bactéria E. coli, o nematódeo Caenorhabditis e a plan- ta Arabidopsis. Analogamente, certas áre- as da Biologia Evolutiva, como a Genética de Populações, fizeram grandes progres- sos utilizando as volumosas informações e técnicas disponíveis para sistemas mo- delo como a Drosophila. Muitas outras subdisciplinas da Biologia Evolutiva podem aproveitar de modo semelhante as pesqui- sas sobre sistemas modelo; por exemplo, a Biologia Evolutiva do Desenvolvimento será favorecida pelos estudos comparati- vos de grupos de organismos que incluem organismos modelo tais como Drosophila, Caenorhabditis e Arabidopsis. É, contudo, inerente à Biologia Evolutiva, cujo objeti- vo é descrever e compreender a história completa e a diversidade dos organismos, não poder ficar restrita a algumas espéci- es modelo. A fim de compreender a diver- sidade da vida e suas implicações para a empreitada humana, precisa ser mantida uma tensão criativa entre os estudos de modelos bem conhecidos e a exploração da diversidade mais ampla dos organismos. • Bancos de dados. Grande parte do pro- gresso da Biologia Evolutiva depende da análise de dados obtidos por numerosos pesquisadores. Por exemplo, os bancos de dados de seqüências de DNA são ampla- mente usados, não somente por biólogos moleculares, mas também por biólogos es- tudiosos da Evolução, e os dados sobre ocorrências fósseis não são usados ape- nas por paleobiólogos, mas também por outros biólogos e mesmo por físicos inte- ressados em dinâmica não-linear. Para as dimensões evolutivas do gerenciamento e da conservação ambientais e da procura por espécies de utilidade econômica, se- rão de grande ajuda bancos de dados aces- síveis e amplamente compartilhados sobre biodiversidade, que incluam informações sobre distribuições geográficas e ecológi- cas, filogenias, ocorrências fósseis e os acervos de museus e herbários. Apoiamos o desenvolvimento de tais bancos de da- dos. • Sites PELP (LTER). Os ecólogos têm obti- do dados importantes nos sites sobre Pes- quisas Ecológicas de Longo Prazo (PELP), localizados em vários biomas dos Estados Unidos, por meio de apoio da NSF para infra-estrutura e pesquisa. Além de forne- cerem dados sobre mudanças ecológicas e ambientais de longo prazo, esses sites são recursos potenciais para pesquisadores que estudam mudanças genéticas de longo pra- zo em populações, incluindo mudanças de características mediadoras das respostas dos organismos a mudanças climáticas. Os biólogos que se dedicam ao estudo da Evo- lução devem ser incentivados a aproveita- rem as oportunidades especiais de finan- ciamento associadas com esses sites, para a realização de estudos evolutivos cuida- dosamente estruturados. • Centros de pesquisa sobre Biologia Evolutiva. Sugerimos que a comunidade de biólogos que se dedicam ao estudo da Evolução discuta até que ponto seria acon- selhável e factível a implantação de um ou mais centros de pesquisa sobre Biologia Evolutiva. As principais funções de tais centros seriam: (1) organizar workshops dos tipos descritos acima; (2) providenciar locais de trabalho para cientistas visitan- tes, a fim de apoiar a análise de dados, publicação e interação entre subdisciplinas; (3) gerenciar bancos de dados e redes de comunicação eletrônica para os cientistas que estudam a Evolução; e (4) promover a comunicação interdisciplinar entre as nu- merosas subdisciplinas da Biologia Evolutiva. 60 visão ampla, interdisciplinar, que favorece a comunicação com os colegas de outras disciplinas, sendo que, muito freqüente- mente, eles atraem alguns dos mais desta- cados estudantes de pós-graduação dos programas de doutorado em Biologia. O mais importante é que a Biologia Evolutiva é uma disciplina intelectualmente dinâmi- ca, que unifica a Biologia vai além dos seus limites. Sendo que ela abrange uma varie- dade de subdisciplinas, da Evolução Molecular à Sistemática e à Paleobiologia, nenhum membro do corpo docente con- segue ser versado o suficiente para repre- sentar a disciplina inteira. De fato, muitas universidades abrigam departamentos ou programas com nomes tais como “Ecolo- gia e Biologia Evolutiva”, que incluem es- pecialistas em várias ou muitas subdis- ciplinas da Evolução. Disciplinas emergen- tes, como a Biologia Evolutiva do Desen- volvimento e a Neurobiologia Evolutiva, precisam ser complementadas por discipli- nas mais tradicionais, como a Sistemática e a Genética de Populações que, embora sendo antigas, estão abordando perguntas novas com novos métodos e técnicas. C. Progredir na Compreensão pela Comunicação • Comunicação entre a comunidade cien- tífica e os órgãos federais. Os biólogos que se dedicam ao estudo da Evolução pre- cisam comunicar aos órgãos federais e a outras instituições de apoio à pesquisa bá- sica ou aplicada a relevância da Biologia Evolutiva para as missões desses órgãos. • Uma Comissão Nacional de Biologia Evolutiva. O crescimento exponencial da pesquisa em muitas frentes foi acompanha- do pelo aumento do número de socieda- des, revistas e reuniões anuais especiali- zadas e por uma tendência para uma mai- or especialização das pesquisas e perspec- tivas dos estudantes. Esforços para com- bater essas tendências, como reuniões conjuntas da Sociedade para o Estudo da Evolução (Society for the Study of Evolution), da Sociedade de Biólogos Sistematas (Society of Systematic Biologists), da Sociedade Americana de Naturalistas (American Society of Naturalists) e da Sociedade de Biologia Molecular e Evolução (Society for Molecular Biology and Evolution), bem como simpósios organizados pela Socie- dade de Paleontologia (Paleontological Society), foram recebidos entusiasticamen- te, indicando um amplo interesse por me- canismos que possam unir a área. Além disso, os biólogos estudiosos da Evolução reconhecem a importância de serem visí- veis em suas interações com o público, com os educadores e com órgãos governamen- tais e privados de fomento à pesquisa. Por isso, sugerimos que as sociedades profis- sionais reflitam se seria desejável e factível a constituição de uma comissão orientado- ra ou consultiva de Biologia Evolutiva, mantida em conjunto. O grupo de mem- bros para esta comissão poderia ser indi- cado e estruturado de maneira muito se- melhante à dos conselhos editoriais de re- vistas já existentes. Seus potenciais papéis poderiam incluir: (1) estabelecer e manter um site na Internet, com links para os sites de sociedades científicas relevantes, para a divulgação de informações de amplo in- teresse; (2) responder a indagações de ór- gãos financiadores sobre tendências e ne- cessidades da pesquisa e comunicar as opiniões de consenso geral a esses órgãos; (3) ajudar a coordenar workshops e outros mecanismos para o avanço da formação e da pesquisa; (4) conscientizar os adminis- tradores de universidades e outros educa- dores das necessidades educativas e de treinamento; (5) comunicar avanços impor- tantes à mídia; (6) coordenar os esforços para a educação do público quanto a as- pectos evolutivos de temas como o racis- mo, a engenharia genética e o conflito en- tre Criacionismo e Ciência da Evolução; e (7) manter os cientistas a par da legislação relevante para a Biologia Evolutiva e edu- car os legisladores e suas equipes quanto às questões evolutivas relevantes para a legislação pendente. Uma Comissão desse tipo poderia ser constituída por meio de um consórcio de sociedades científicas, lide- radas por uma sociedade específica, como a Sociedade Americana de Naturalistas (American Society of Naturalists) ou a So- ciedade para o Estudo da Evolução (Society for the Study of Evolution). • Reorganização do apoio financeiro para a pesquisa em Evolução. A maior parte da pesquisa básica em Biologia Evolutiva nos Estados Unidos é mantida pela Funda- 61 ção Nacional para a Ciência (National Science Foundation). As verbas de pesqui- sa para as várias subdisciplinas da Biolo- gia Evolutiva são concedidas por numero- sas divisões e assessorias dentro da NSF. Esta estrutura serve para financiar pesqui- sas que se situam nitidamente dentro de muitas das subdisciplinas, porém propos- tas interdisciplinares freqüentemente en- frentam dificuldades porque alguns asses- sores das áreas relevantes não estão fami- liarizados com o contexto nos quais tais propostas se inserem. Por exemplo, pes- quisas que estão no limite entre a Paleo- biologia e a Biologia Evolutiva do Desen- volvimento, entre a Genética Molecular e a Ecologia Evolutiva ou entre a Genética de Populações e a Sistemática podem cor- rer “risco duplo” na obtenção de financia- mento. Sugerimos que a NSF considere a possibilidade de constituir uma unidade única, possivelmente sobre “Biodiversidade e Mudanças Bióticas”, que possa tratar de maneira abrangente o espectro da pesqui- sa em Evolução, incluindo a pesquisa interdisciplinar, que traz contribuições tão notáveis para o progresso científico. • Verbas de treinamento para pós-gradu- ação e pesquisa. A saúde e o progresso de qualquer disciplina depende do treina- mento dos estudantes de pós-graduação, que serão a próxima geração de pesquisa- dores. Para tanto, é necessário um aumen- to das oportunidades de obtenção de ver- bas para o treinamento de estudantes de pós-graduação e para a pesquisa, a fim de fomentar as amplas perspectivas básicas e aplicadas discutidas aqui. O que mais irá beneficiar a pesquisa básica e aplicada se- rão verbas de treinamento para áreas interdisciplinares, Biologia Evolutiva Apli- cada e Biologia Evolutiva Teórica. Treinar uma geração de pesquisadores na interface entre a Biologia Evolutiva básica e aplica- da trará ainda o benefício adicional de ex- portar o pensamento evolutivo para algu- mas disciplinas aplicadas, cuja compreen- são pode aumentar graças à perspectiva evolutiva. • Oportunidades de pós-doutorado e meio- de-carreira. Vagas de pós-doutorado e li- cenças para pesquisa com a carreira já em andamento são vitais para permitir que os pesquisadores aprendam ou desenvolvam novas técnicas ou iniciem novos progra- mas de pesquisa, especialmente aqueles com uma dimensão interdisciplinar ou apli- cada. Atualmente, o apoio para vagas de pós-doutorado e pesquisa de meio-de-car- reira está aquém das necessidades. Au- mentar as fontes para esse apoio será im- portante para o progresso, tanto da Biolo- gia Evolutiva básica, como da aplicada. • Treinamento em áreas subdesenvolvidas. Em várias áreas importantes da Biologia Evolutiva, o número de jovens cientistas que formarão o futuro corpo de pesquisa- dores é altamente inadequado. Talvez as mais notáveis dessas áreas sejam (1) a Bi- ologia Evolutiva Matemática e Estatística, incluindo a construção de modelos e a aná- lise de dados; (2) a Sistemática e Biologia de grupos de organismos inadequadamen- te estudados e/ou que incluem espécies importantes para a sociedade humana (p. ex., microrganismos, protistas, algas, fun- gos, plantas, insetos, nematódeos); e (3) a Paleobiologia Evolutiva, concentrada na especiação e na biodiversidade. Para tra- tar dessa necessidade vital, os estudantes de doutorado precisam ser treinados nes- sas áreas e é necessário que se abram para eles oportunidades de emprego, como car- gos nos departamentos de Biologia de uni- versidades e de outros estabelecimentos de ensino superior. • Alcance e educação do público. O maior desafio para os biólogos que se dedicam ao estudo da Evolução, e para todos os ci- entistas, é transmitir informações novas e interessantes ao público em geral. A Bio- logia Evolutiva enfrenta o desafio adicio- nal de atingir e convencer uma parcela do público que é cética ou mesmo hostil em relação ao próprio conceito de Evolução. Embora a Evolução quase não gere con- trovérsias em muitos outros países, nos Estados Unidos ela é uma questão politica e educativamente volátil (ver Apêndice I, “Evolução: Fato, Teoria, Controvérsia”). Porém, sem o seu fundamento evolutivo, a Biologia não pode ser uma ciência mo- derna, pois, por mais completas que sejam as nossas descrições dos fenômenos bio- lógicos, não conseguimos entender suas causas inteiramente, a não ser fazendo re- 62 ferência aos processos evolutivos e à his- tória evolutiva. Sem a Evolução, muitas das aplicações potenciais da Biologia às neces- sidades da sociedade não serão desenvol- vidas e nem mesmo exploradas. Nenhuma questão da educação do público quanto a temas biológicos é mais urgente ou impor- tante do que a comunicação da natureza, das implicações e aplicações da Evolução. Nos termos mais contundentes possíveis, instamos os cientistas que estudam a Evolu- ção a se empenharem na educação do públi- co e instamos as instituições de ensino a co- municarem ao público a realidade, vitalidade e importância da Evolução para a sociedade. Os possíveis veículos para fazê-lo incluem: • Palestras públicas para grupos de escolas e cidadãos locais; • Exposições em museus sobre a moderna Biologia Evolutiva e as provas da Evolu- ção; • Comunicados à imprensa sobre avanços empolgantes na pesquisa evolutiva; • Cartas para jornais e revistas e cobertura imperiosa da Evolução nas colunas cientí- ficas; • Monitorização dos livros-texto e comuni- cação sobre as reações aos editores e con- selhos escolares; • Mensagens dirigidas aos telespectadores e ouvintes de rádio; e • Apoio às organizações que contribuem para a educação do público sobre Biologia. Pesquisadores em Biologia Molecular e do Desenvolvimento, Fisiologia, Ecologia, Comportamento Animal, Psicologia e Antro- pologia e outras disciplinas continuam a ado- tar como estrutura os métodos, princípios e conceitos da Biologia Evolutiva. Analoga- mente, a pesquisa aplicada em Silvicultura, Agricultura, Pesca, Genética Humana, Medi- cina e outras áreas vem atraindo cada vez mais cientistas com formação em Biologia Evolutiva. Os biólogos que se dedicam ao es- tudo da Evolução expandiram sua visão, tra- tando tanto de questões básicas que permeiam todas as disciplinas biológicas, como de problemas colocados pelas necessi- dades da sociedade. Como resultado, tanto do rápido crescimento desta “força de trabalho evolutiva “, como dos avanços tecnológicos em áreas como a metodologia molecular, a computação e o processamento de informa- ções, o progresso da Biologia Evolutiva e áre- as correlatas é mais veloz hoje do que jamais foi. Com o apoio apropriado e necessário para a educação e a pesquisa, as disciplinas evolutivas darão contribuições ainda maiores para o conhecimento aplicado e básico. No domínio aplicado, os biólogos estu- diosos da Evolução estão assumindo suas res- ponsabilidades sociais. Existem muitas ma- neiras pelas quais a sua disciplina pode aju- dar a humanidade: • pela compreensão e combate das doenças genéticas, sistêmicas e infecciosas; • pela compreensão das adaptações fisioló- gicas humanas a estresses, patógenos e outras causas de problemas de saúde; • pelo melhoramento de safras e mitigação dos prejuízos causados por patógenos, in- setos e ervas daninhas; • pelo desenvolvimento de ferramentas para analisar a diversidade genética humana em suas aplicações à saúde, ao direito e à com- preensão do comportamento humano; • pelo uso e desenvolvimento responsável de recursos biológicos; • pela remediação dos danos ao meio am- biente; • pela previsão das conseqüências das mu- danças ambientais globais e regionais; e • pela conservação da biodiversidade e des- coberta de seus usos. IX. CONCLUSÃO 65 39. Nei, M. e A. L. Hughes. 1991. Polymorphism and evolution of the major histocompatibility complex loci in mammals. In R. K. Selander, A. G. Clark, and T. S. 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Para Darwin, em 1859, isto era uma hipótese, para a qual ele apresentou provas abundantes provenientes da anatomia comparativa, da embriologia, do comporta- mento, da agricultura, da paleontologia e da distribuição geográfica dos organismos. Des- de aquela época, todos os muitos milhares de observações feitas em cada uma dessas áre- as reforçaram a essência da hipótese de Darwin. A essas observações foram acrescen- tadas abundantes provas com que Darwin nem poderia ter sonhado, oriundas especial- mente da Paleontologia e da Biologia Molecular. O acúmulo de um século de tais provas estabelece a descendência, com modi- ficações, de ancestrais comuns como um fato científico. Como explicamos este fato — quais poderiam ser seus princípios e suas causas — é a teoria do processo evolutivo, partes da qual são sujeitas a quantidades variadas de deba- tes científicos, modificações e ampliação. Afirmar que a Evolução é um fato é con- frontar-se com controvérsias, pois provavel- mente nenhuma afirmação em toda a Ciên- cia desperta tanta oposição emocional quan- to a evolução biológica. Apesar disso, nenhu- ma hipótese científica diferente da descendên- cia comum com modificações consegue elucidar e fazer previsões a respeito da uni- dade, diversidade e propriedades dos organis- mos vivos. Nenhuma outra hipótese sobre a origem da diversidade biológica é respaldada por provas tão esmagadoras e nenhuma hi- pótese concorrente gera tamanha riqueza de estudos científicos e tem tantas implicações para as Ciências Biológicas e suas aplicações para as necessidades da sociedade. EVOLUÇÃO: FATO, TEORIA, CONTROVÉRSIAS Quando os biólogos se referem à Teoria da Evolução, eles usam a palavra “teoria” da forma como ela é usada em toda a Ciência. Ela não significa uma mera especulação ou uma hipótese sem fundamento. Aliás, segun- do o The Oxford English Dictionary, é “uma hi- pótese que foi confirmada ou estabelecida por observação ou por experimentação e é pro- posta ou aceita como justificativa dos fatos conhecidos; uma afirmação das leis, princípi- os ou causas gerais de alguma coisa conheci- da ou observada” (palavras em itálico dos autores). O complexo conjunto de princípios que explicam as mudanças evolutivas consti- tui uma teoria no mesmo sentido da “Teoria dos Quanta” na Física ou da “Teoria Atômica” na Química: foi elaborada a partir de provas, testada e refinada e esclarece literalmente milhares de observações feitas ao longo da totalidade da Ciência Biológica e da Paleon- tologia. Como todas as teorias científicas, a Te- oria da Evolução é atualmente a melhor expli- cação. Resistiu a incontáveis testes e tentati- vas de provar o contrário, mas ainda está sen- do refinada, modificada à luz de novos co- nhecimentos e expandida para esclarecer fe- nômenos de descoberta recente. A Teoria Ge- nética teve uma história igual, tendo progre- dido dos primeiros princípios simples de Mendel até o complexo conjunto de princípi- os moleculares que constituem a Teoria da He- reditariedade de hoje, sendo constantemente refinada e modificada, embora seus princípi- os essenciais tenham permanecido válidos durante um século. O mesmo acontece com a Teoria da Evolução. A Evolução é também um fato? Todos os fatos, menos os mais triviais, começam como hipóteses não testadas — como a hipó- tese de que a Terra gira em torno do sol. Eles adquirem “fatualidade” à medida que mais e mais provas se acumulam a seu favor e que resistem às tentativas de refutá-las. As pro- vas e as tentativas de refutação podem assu- mir várias formas além das simples observa- ções; na realidade, as provas mais poderosas não são meras observações e sim a confor- midade com previsões feitas pela hipótese a 67 EVOLUÇÃO E CRENÇA ESPIRITUAL: UM CONFLITO NECESSÁRIO? A Teoria da Evolução é controversa por- que é percebida por algumas pessoas como sendo incompatível com crenças religiosas, especialmente no que diz respeito à natureza e às origens humanas. Nos Estados Unidos, a assim chamada oposição criacionista à Evo- lução fala tão alto que chegou a ameaçar o financiamento de órgãos federais para a pes- quisa evolutiva, a despeito de seu valor cien- tífico básico e de suas numerosas aplicações. De igual importância é o fato de ela ter leva- do os sistemas de ensino público a mini- mizarem a educação em Ciência Evolutiva, contribuindo para um amplo analfabetismo científico. (Um estudo de 1988 sobre o domí- nio da Ciência por jovens de todo o mundo classificou os norte-americanos entre os 25 porcento mais baixos, atrás de estudantes de países como o Japão, a Inglaterra e a Hungria). Mais da metade dos norte-americanos acre- ditam que o ser humano foi criado em sua forma atual cerca de 10.000 anos atrás, em- bora já faça quase um século que a realidade da Evolução — incluindo a Evolução humana — não gera controvérsias sérias entre os ci- entistas (37). Padres, pastores, rabinos e o Papa João Paulo II ratificaram a validade da Ciência Evolutiva, ratificando ao mesmo tempo a va- lidade espiritual dos ensinamentos da Bíblia. Existem, na realidade, alguns clérigos que ensinam sobre a Evolução e até fazem pes- quisas evolutivas. Entre os próprios biólogos que se dedicam ao estudo da Evolução, há ateus, agnósticos e devotos praticantes de várias religiões. A maioria dos teólogos pare- ce concordar com a idéia de que considerar que a fé em Deus é ou não compatível com a aceitação da Evolução é questão de decisão individual. A maioria dos biólogos que estu- dam a Evolução concorda que as questões referentes à crença espiritual não podem ser decididas pela Ciência, que, pela sua nature- za, é limitada a determinar causas naturais observáveis, não pode pronunciar-se a res- peito de assuntos sobrenaturais e não pode dar respostas a perguntas filosóficas ou éti- cas fundamentais. Este último ponto precisa ser enfa- tizado. Os antievolucionistas acusaram a Evolução de despojar a sociedade de todo fundamento da moralidade e da ética e de ensinar uma visão materialista do mundo, o que justificaria a lei do mais forte. Mas a Ci- ência da Evolução nunca ensinou nada dis- so e, praticada corretamente, não pode ensi- nar qualquer coisa desse tipo, pois a ciência em si não tem conteúdo moral ou ético, para o bem ou para o mal. Quer a ciência seja a Física, quer a Biologia Evolutiva, ela somen- te nos ensina como é e como funciona o mundo observável. Ciências como a Física, a Química, a Geologia, a Fisiologia e a Neuro- biologia, exatamente como a Biologia Evo- lutiva, não admitem causas sobrenaturais para as ações dos átomos, a energia do sol, a saúde ou as doenças do corpo humano ou os poderes do cérebro humano. Estas ciên- cias reconhecem somente causas naturais, materiais, e nós nos baseamos em suas teo- rias naturalistas quando construímos aviões, sintetizamos novos plásticos, ouvimos a pre- visão do tempo ou consultamos os nossos médicos. Não aplicaríamos princípios religi- osos a essas atividades, da mesma forma que não procuraríamos médicos, engenheiros ou químicos para nos darem orientação moral. O mesmo ocorre com a Ciência da Evolução: nem mais nem menos materialista do que qualquer outra ciência, ela não oferece ori- entação moral, somente uma análise desa- paixonada sobre como funcionam e como se formaram os sistemas biológicos. Qual o uso que faremos dessas informações, cabe aos indivíduos e à sociedade decidir. 70 senvolvimento de um ou mais caracteres. Cada aminoácido de uma cadeia de prote- ína é codificado por um ou mais conjuntos de três bases (tríades) específicos, consti- tuídos de quatro tipos de bases nucleo- tídicas. Genótipo: Uma combinação específica de alelos em um ou mais locos. Organismos como os humanos têm duas cópias de cada gene em cada um da maioria dos locos (um proveniente da mãe e um proveniente do pai); o genótipo em determinado loco é homozigoto se as duas cópias forem do mesmo alelo, e heterozigoto se forem alelos diferentes. Loco (pl., locos): O local de um cromossomo que é ocupado por um gene; este termo é freqüentemente usado para se referir ao próprio gene. Mutação: Alteração da seqüência do DNA de um gene, originando-se daí um novo alelo. Pleiotropismo: Os efeitos de um único gene sobre mais de um caráter. Polimorfismo: A presença, em uma popula- ção, de dois ou mais alelos num determi- nado loco genético. População: Grupo local de indivíduos de uma espécie; em organismos de reprodução sexuada, os membros de uma população cruzam entre si mais freqüentemente do que com membros de outras populações. Seleção: Abreviação de “seleção natural,” i.é, diferenças consistentes na taxa de sobre- vivência ou de reprodução entre genótipos ou alelos diferentes, devido a diferenças nos fenótipos por eles produzidos. Teoria coalescente: Um segmento da teoria da Genética de Populações, que utiliza as relações entre seqüências de DNA para in- ferir os processos evolutivos que afetaram genes e populações. Valor adaptativo: A contribuição para a ge- ração seguinte de um genótipo, em rela- ção à de outros genótipos, refletindo a sua probabilidade de sobrevivência e sua ca- pacidade reprodutiva. 71 APÊNDICE IV • U.S. Department of Agriculture (USDA) (Departamento de Agricultura dos EUA): Variação genética e mapeamento de LCQ de plantas; evolução molecular e evolução do desenvolvimento das plantas; sistemas de cultivo de plantas; fisiologia evolutiva de plantas, animais domésticos e insetos; resistência natural a pragas em plantas sel- vagens; genética, ecologia, comportamen- to e sistemática de plantas, insetos, nema- tódeos, fungos e outros patógenos de plan- tas; co-evolução parasita/hospedeiro; ge- nética e ecologia evolutiva dos organismos de solo; evolução da resistência a toxinas naturais e a pesticidas e herbicidas sintéti- cos; análise estatística e numérica de da- dos. • Environmental Protection Agency (EPA) (Agência de Proteção Ambiental): Gené- tica, Ecologia e Evolução aplicadas à biorremediação; evolução microbiana; adaptação a mudanças ambientais globais e locais; genética e adaptabilidade de po- pulações pequenas e/ou ameaçadas; biodiversidade (incluindo sistemática, biogeografia, evolução das interações en- tre espécies e paleobiologia das mudanças das comunidades). • U.S. Department of the Interior (Depar- tamento do Interior dos EUA): Biorre- mediação de ambientes danificados; gené- tica e fisiologia evolutivas dos recursos flo- restais e de pesca; adaptação a mudanças ambientais globais e locais; genética e adaptabilidade de populações pequenas e/ ou ameaçadas; evolução dos ciclos de vida e dos sistemas de cultivo/criação de po- pulações de safra; análise de biodiversi- dade (p. ex., inventário, sistemática, bio- geografia, percepção remota do habitat, interações entre espécies); métodos teóri- cos, estatísticos e numéricos. • Department of Defense (DOD) (Departa- mento de Defesa dos EUA): Sistemática, genética e ecologia evolutiva de parasitas, patógenos e vetores de doenças; sistemá- tica e ecologia evolutiva de organismos marinhos; adaptação a mudanças globais ASSOCIAÇÃO ENTRE A PESQUISA EVOLUTIVA E AS MISSÕES DE ÓRGÃOS OFICIAIS Descrevemos aqui um campo emer- gente, o da Biologia Evolutiva Aplicada, que inclui pesquisas orientadas diretamente para necessidades da sociedade, bem como uma pesquisa básica que claramente constitui pré- requisito para o desenvolvimento de aplica- ções. O progresso nessas áreas tem uma re- lação direta com as missões de diversos ór- gãos e irá claramente contribuir para suas necessidades e objetivos. De fato, certos ór- gãos apoiam a pesquisa em algumas das subdisciplinas da Biologia Evolutiva. Entre- tanto, muitos dos órgãos relacionados abai- xo têm financiado muito pouco da pesquisa evolutiva que poderia impulsionar seus ob- jetivos. Exemplos de possíveis associações entre órgãos oficiais e áreas da pesquisa evolutiva relevantes para suas missões in- cluem: • National Institutes of Health (NIH) (Ins- titutos Nacionais de Saúde): Evolução e diversidade da organização do genoma; Evolução Molecular; teoria da Genética de Populações; mapeamento de LCQ (locos de características quantitativas); evolução dos mecanismos de desenvolvimento; Morfologia e Fisiologia Evolutivas; meca- nismos de adaptação a estresses ambientais; co-evolução (de patógenos ou parasitas e hospedeiros); técnicas numé- ricas e analíticas para o uso de dados moleculares; epidemiologia genética; di- agnóstico genético; evolução da resistên- cia a drogas em microorganismos; varia- ção humana; abordagens evolutivas da base biológica do comportamento huma- no; mecanismos de comportamento rela- cionados com funções cognitivas; funções hormonais e seus efeitos sobre o compor- tamento. • U.S. Department of Justice (Departamen- to de Justiça dos EUA): Identificação ge- nética; genética de populações de poli- morfismos moleculares; métodos analíti- cos. 72 passadas e presentes; caracterização ge- nética de indivíduos pelo DNA (“finger- printing”). • National Air and Space Administration (NASA) (Administração Nacional Aero- Espacial); National Oceanographic and Atmospheric Administration (NOAA) (Administração Nacional Oceanográfica e Atmosférica): Análise da biodiversidade da vegetação e dos sistemas marinhos (in- cluindo sistemática, biogeografia, ecologia evolutiva); efeitos da composição das es- pécies, das interações entre espécies e da variação genética sobre os processos dos ecossistemas; adaptação a mudanças ambientais globais e locais; estudos paleo- biológicos de comunidades e ambientes; métodos estatísticos e analíticos; origens da vida e exobiologia; adaptação a ambi- entes extremos. • World Health Organization (Organização Mundial da Saúde): Epidemiologia e biogeografia de doenças; evolução da re- sistência a doenças; aparecimento de do- enças novas; relações ecológicas e evolutivas entre doenças e seus vetores. • UNESCO (UNEP—United Nations Environ- mental Programme) (Programa Ambiental das Nações Unidas): O apoio dado A Esti- mativa da Biodiversidade Global (Global Biodiversity Assessment) do UNEP cita a im- portância dos estudos paleobiológicos so- bre respostas biológicas às mudanças glo- bais e descreve a importância da Biologia Evolutiva para a nossa compreensão da biodiversidade e seu manejo (24). • Indústria: As descrições acima das apli- cações passadas e potenciais da Ciência da Evolução a objetivos tais como a bior- remediação, o desenvolvimento de produ- tos naturais e a biotecnologia deixam cla- ro que diversas indústrias considerarão útil apoiar as pesquisas em áreas como a análise comparativa de genes e genomas; mapeamento de LCQ de microrganismos; a genética evolutiva de organismos trans- gênicos e suas interações com espécies selvagens; co-evolução em sistemas microbianos; adaptabilidade e ecologia evolutiva dos organismos de solo, ervas daninhas e espécies que constituem pra- gas; evolução da resistência a antibióti- cos, pesticidas e herbicidas; análises adaptativas das propriedades químicas de plantas e outras espécies; sistemática e biodiversidade de microrganismos, plan- tas e outras espécies. • Fundações particulares: Fundações par- ticulares podem exercer um papel essen- cial no lançamento de pesquisas em dire- ções que não podem ser financiadas de imediato por órgãos federais. Nesta cate- goria, projetos de pesquisas verdadeira- mente inovadoras e, por isso, de natureza “de alto risco/altos ganhos”; projetos interdisciplinares e com probabilidades de se situarem entre as áreas tradicionalmente financiadas pelos órgãos públicos; ou que estão fora de moda (talvez por exigirem coleta de mais dados sobre temas tradici- onais) têm maiores probabilidades de se beneficiarem da flexibilidade que funda- ções particulares muitas vezes podem exercer. 1