Quando Charles Darwin começou sua viagem ao redor do mundo a bordo de H.M.S. Beagle, ele compartilhou com seus contemporâneos a crença quase inquestionável de que cada espécie de planta e animal que habitava a terra tinha se originado em um ato separado de criação. Nenhuma outra maneira havia sido encontrada para explicar as refinadas adaptações de estrutura e comportamento pelas quais cada forma de vida parece tão perfeitamente projetada para o seu lugar na natureza. Ao final do ano de vida, uma idéia totalmente nova e surpreendente havia começado a se desenvolver na mente do jovem naturalista. Hoje, menos de um século após a publicação de A Origem das Espécies, a teoria da evolução há muito foi aceita como um fato da vida.
O brilhantismo da visão de Darwin reside na sua integração de duas verdades biológicas simples e aparentemente não relacionadas, e na sua projeção de suas inevitáveis conseqüências em uma vasta escala de tempo. Uma delas é que os membros individuais de uma espécie não são todos exactamente iguais, as diferenças entre eles tendem a ser herdadas. A outra, um pouco menos óbvia, era que a expansão infinita das populações é verificada por limitações na disponibilidade de alimentos, e por outras condições restritivas de vida. Segue-se diretamente, raciocinada Darwin, que qualquer característica hereditária que aumente a sobrevivência e a fertilidade de um indivíduo será “naturalmente selecionada” – ou seja, será transmitida a uma fração maior da população em cada geração seguinte. Desta forma, pela acumulação gradual de variações adaptativas, as espécies agora existentes evoluíram de progenitores anteriores e mais primitivos, e devem seus intrincados mecanismos de ajuste não ao planejamento proposital, mas ao funcionamento impassível das leis naturais.
Na grande convulsão do pensamento científico que se seguiu ao anúncio da teoria da evolução, os fenômenos de hereditariedade e variação foram repentinamente empurrados para a vanguarda da biologia. Quase’ nada se sabia sobre a forma como as diferenças hereditárias surgem, e sobre os mecanismos da sua transmissão, mas Darwin previu o desenvolvimento de um “grande e quase imparável campo de investigação” no qual as causas da variação e as leis da hereditariedade seriam descobertas. Mesmo quando Darwin apelou para o futuro para resolver os mistérios da herança, Gregor Mendel estava lançando as bases para a nova ciência da genética. A genética contribuiu ricamente para a síntese de fatos e idéias de quase todos os ramos das ciências naturais que foram construídos sobre o darwinismo. À medida que os diversos e intrincados mecanismos da evolução têm vindo a ser compreendidos, tem crescido cada vez mais a certeza de que as matérias-primas das quais dependem são as mutações dos genes.
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A dotação hereditária de uma planta ou animal é agora conhecida por ser determinada por um tipo muito especial de material encontrado principalmente nos cromossomas semelhantes a fios que podem ser vistos sob o microscópio no núcleo da célula. Os elementos invisíveis dos quais este material é composto, os genes, foram outrora considerados como partículas discretas enfiadas ao longo do cromossoma como contas. Evidências recentes modificaram este conceito consideravelmente, e muitos geneticistas agora pensam nos genes como regiões quimicamente diferenciadas do cromossomo, não necessariamente separadas umas das outras por fronteiras definidas, mas cada uma tendo um padrão estrutural distinto do qual deriva um papel altamente específico no metabolismo da célula.
Todas as células do corpo contêm um conjunto de cromossomos e genes, descendentes diretamente por uma longa linha de divisões celulares do conjunto originalmente constituído na célula do óvulo na fertilização. O embrião humano se desenvolve em uma pessoa, e não em uma árvore ou elefante ou monstruosidade, porque o material transportado em seus cromossomos, sua constelação de genes, inicia e guia uma maravilhosa seqüência coordenada de reações que inevitavelmente leva, em condições normais, à diferenciação e crescimento de um ser humano.
Através da vida do indivíduo, os genes, continuam a exercer seu controle sobre a complexa química das células e tecidos do corpo. À medida que os tecidos mais velhos são gradualmente substituídos por novos tecidos na pessoa madura, o alimento que é consumido é convertido muito especificamente em mais do mesmo indivíduo, mesmo que uma dieta idêntica, dada a um cão, seja transformada em mais cão. Estamos muito longe de entender como os genes direcionam as múltiplas atividades dos sistemas vivos, mas sabemos com crescente certeza que a gama de possíveis respostas de qualquer célula ou organismo às condições que ele pode encontrar é em grande parte determinada pelo gênero.
Todos os membros de nossa espécie têm em comum a composição genética básica que nos diferencia de outras formas de vida. No entanto, não há dois indivíduos, com exceção de gêmeos idênticos, que tenham exatamente a mesma hereditariedade, o que é outra forma de dizer que cada pessoa possui um padrão único de genes cromossômicos. Diferenças na pigmentação da pele, cor dos olhos e do cabelo, estatura e características faciais são traços hereditários familiares pelos quais indivíduos e grupos de indivíduos diferem um do outro. Estes e o conjunto de outras variações herdadas, desde padrões de impressões digitais até tipos de sangue, são manifestações das diferenças que existem na estrutura e arranjo do material genético.
Somas variações hereditárias, como a cor dos olhos, são conhecidas por dependerem de diferenças no estado de um único gene. Isto não implica que um gene, por si só, seja responsável pela formação do pigmento azul ou marrom na íris do olho. Isso significa que uma mudança nesse gene em particular pode alterar o funcionamento integrado de todo o sistema genético de modo a resultar na produção de um tipo diferente de pigmento. Outras características, como a altura, dependem dos estados de um número relativamente grande de genes.
Os genes não existem no vácuo. Eles estão sempre presentes em um ambiente que deve ser levado em conta na compreensão de como eles funcionam. O ambiente dentro da célula e dentro do organismo, e o ambiente exterior mais imprevisível, estão intimamente ligados ao funcionamento dos genes e têm diferentes graus de influência sobre a expressão última da hereditariedade. Um traço ou característica não é, em si mesmo, herdado. O que é determinado pelos genes é a capacidade de produzir certos traços sob certas condições.
No caso da cor dos olhos, esta distinção pode parecer sem importância, já que um indivíduo com a constituição genética dos olhos azuis terá olhos azuis sob quaisquer condições ambientais’. Seu significado torna-se evidente, entretanto, quando consideramos características herdadas que são mais diretamente responsivas às variáveis ambientais. O coelho dos Himalaias é um caso em questão. Este coelho tem um padrão de pêlo branco, com pêlo preto nas extremidades (orelhas, pontas das patas, cauda), e este padrão é passado de geração em geração. Se um pedaço de pelo branco das costas de tal coelho é raspado, e o novo pelo é permitido crescer de novo enquanto o animal é mantido em um lugar fresco, ele vai crescer em preto ao invés de branco. Assim não é o padrão em si que é herdado, mas a capacidade de produzir pigmento preto a baixas temperaturas e não a temperaturas mais altas. Como a temperatura nas extremidades é normalmente mais baixa que a do resto do corpo, obtém-se o padrão típico dos Himalaias. Da mesma forma, embora a estatura esteja basicamente sob o controle dos genes, ela pode ser influenciada significativamente por fatores nutricionais.
Genes são notáveis não só pela forma como dirigem as intrincadas vias do metabolismo e do desenvolvimento. Além disso, têm propriedades únicas que lhes dão especial importância na biologia, como matéria-prima não só da evolução, mas provavelmente da própria vida. Os genes têm a capacidade de organizar o material do seu ambiente em cópias precisas de suas próprias configurações moleculares, e exercem esse poder toda vez que uma célula se divide.
São também capazes de sofrer mudanças estruturais, ou mutações; e uma vez ocorrida essa mudança, ela é incorporada às cópias que o gene faz de si mesmo. Uma única unidade com estas propriedades, e tendo também a capacidade de agregar com outras tais unidades, possuiria as características essenciais de um ser vivo, capaz de evolução ilimitada através da seleção natural de formas e combinações de variantes mais eficientes na reprodução de si mesmo. Muitos biólogos acreditam que a vida pode ter tido origem na formação acidental de “genes nus”, moléculas orgânicas capazes de duplicar sua própria estrutura, e suas variações na estrutura, a partir de materiais disponíveis no ambiente.
Embora a natureza química dos genes ainda não seja conhecida com certeza, um dos mais importantes avanços recentes na genética é a evidência de que suas propriedades definitivas podem ser explicadas pela estrutura teórica e comportamento das moléculas dos compostos conhecidos como ácidos desoxirribonucleicos, ou DNA. Os cromossomas contêm grandes quantidades de ADN. Suas moléculas são muito grandes, como as moléculas vão, construídas em longas cadeias a partir de apenas quatro tipos de blocos de construção química simples. A ordem em que essas unidades ocorrem, e o número de repetições de agrupamentos semelhantes, são considerados a base da atividade específica de diferentes regiões do cromossomo – em outras palavras, dos genes. O estudo das propriedades dessas moléculas fornece uma forma de explicar o mecanismo pelo qual os genes se duplicam e reproduzem as variações que podem sofrer.
Mutações, como já foi sugerido, são consideradas alterações, a nível molecular, na estrutura ou organização dos genes. Uma mutação em qualquer gene é susceptível de se refletir em uma modificação de sua contribuição para o padrão de controle delicadamente entrelaçado exercido por toda a constelação de genes, podendo ser detectada por seu efeito em alguma característica física ou metabólica do organismo.
Mutações, na natureza, são eventos bastante raros, ocorrendo geralmente com freqüências de uma em mil para uma em um bilhão de duplicações de genes. Eles têm uma gama extremamente ampla de efeitos, desde distúrbios fatais do desenvolvimento normal até reduções perceptíveis da expectativa de vida, desde mudanças marcantes na aparência até pequenas alterações do metabolismo que ele pode detectar apenas com instrumentos de laboratório sensíveis.
Mutações no homem são responsáveis pelos tipos de diferenças hereditárias que já discutimos, e podem produzir, também, efeitos como morte fetal precoce, natimorto, doenças como hemofilia e anemia falciforme, cegueira de cor e lábio leporino. Parece bem possível que câncer, leucemia e outras doenças malignas possam se originar pela ocorrência de mutações em células do corpo que não as células reprodutivas.
Embora a freqüência geral de mutações possa ser aumentada consideravelmente pela exposição a radiações e uma variedade de produtos químicos, normalmente não há relação entre as condições ambientais e os tipos de mutações que ocorrem. Mutações de todos os tipos surgem em populações naturais, com frequências baixas mas regulares, de uma forma que é melhor explicada considerando-as como sendo as consequências de rearranjos moleculares acidentais, ocorrendo mais ou menos ao acaso no material genético. Os raios X e outros tipos de radiações de alta energia aumentam a probabilidade de ocorrência destes acidentes ou mutações, mas não sabemos com certeza as causas das chamadas mutações “espontâneas”. As radiações naturais, como os raios cósmicos, sem dúvida causam uma fração delas, mas foi estimado que a intensidade das radiações naturais não é suficiente para explicar todas as mutações que ocorrem nas populações vegetais e animais.
Darwin acreditava que as variações hereditárias sobre as quais a seleção natural atua são causadas diretamente pela influência das condições de vida sobre o organismo, ou pelos efeitos do uso e do desuso de determinadas partes do corpo. Embora ele apreciasse a dificuldade de explicar como o ambiente pode provocar modificações adaptativas apropriadas, e como tais mudanças podem ser incorporadas nas células reprodutivas para serem herdadas, parecia ainda mais difícil imaginar que elas pudessem surgir por acaso. Como, então, a genética moderna propõe que a ordenação da evolução pode seguir-se de variações acidentais na estrutura molecular dos genes, ocorrendo sem relação com as exigências do ambiente?
Não precisamos de confiar na especulação para responder a esta pergunta. O estudo da evolução tem passado para o laboratório, e embora não seja possível duplicar aqui os tipos de mudanças que têm exigido milhões de anos na natureza, os passos elementares da evolução podem ser analisados. Para este fim, o uso de bactérias apresenta muitas vantagens. Isto é particularmente verdade uma vez que os mecanismos de hereditariedade e variação, onde quer que sejam estudados nos reinos vegetal e animal, parecem ser fundamentalmente iguais. Genes e mutações são muito semelhantes, no seu comportamento básico, quer sejam investigados em moscas da fruta, em plantas de milho, no homem ou em microorganismos.
A bactéria Escherichia coli, um organismo unicelular em forma de bastão normalmente encontrado no trato intestinal humano, é amplamente utilizada em pesquisas sobre hereditariedade. Ela se divide a cada vinte minutos em condições ideais, e uma única célula, colocada em um centímetro cúbico de meio de cultura, produzirá de um dia para o outro tantos descendentes quanto a população humana da terra. A recente descoberta de um processo sexual neste organismo, bem como em alguns outros tipos de bactérias, tornou possível a reprodução cruzada de diferentes linhagens e a aplicação de muitos dos métodos clássicos de análise genética que foram desenvolvidos no estudo de formas superiores. A Escherichia coli é um veículo ideal para o estudo experimental da “microevolução”
Em laboratório, uma estirpe desta bactéria pode ser mantida quase indefinidamente, em condições constantes, sem sofrer qualquer alteração apreciável nas suas características. Quando o ambiente sob o qual a bactéria é cultivada é alterado, no entanto, de uma forma que é de alguma forma prejudicial para a população, muitas vezes adapta-se rápida e eficazmente às novas condições.
Um bom exemplo da forma como uma cultura bacteriana pode adaptar-se a um ambiente desfavorável é a reacção da Escherichia coli à estreptomicina. A maioria das estirpes desta bactéria é sensível à estreptomicina, sendo incapaz de se multiplicar na presença de quantidades muito pequenas do antibiótico. A sensibilidade à estreptomicina é uma característica hereditária e é transmitida, inalterada, através de inúmeras gerações. Se uma alta concentração de estreptomicina é adicionada ao tubo de cultura no qual uma estirpe sensível está crescendo, o resultado depende do tamanho da população na época. Se o número de bactérias no tubo quando o antibiótico é adicionado for relativamente pequeno (cem ou mil), a multiplicação irá parar imediatamente, e não ocorrerá mais crescimento no tubo, não importa quanto tempo ele esteja incubado. Se a população for grande (cem milhões de bactérias ou mais), a adição de estreptomicina irá parar a multiplicação acentuadamente, mas a incubação do tubo por alguns dias resultará quase sempre no aparecimento final de uma cultura totalmente desenvolvida contendo dezenas de bilhões de bactérias. Quando as bactérias nesta cultura são testadas, elas provam ser completamente resistentes à estreptomicina, e são capazes de se multiplicar vigorosamente na sua presença. Além disso, descobrimos que a resistência à estreptomicina é uma característica estável e hereditária, transmitida indefinidamente aos descendentes destas bactérias.
Assim, expondo uma grande população de bactérias sensíveis à estreptomicina a uma alta concentração do antibiótico, pode-se provocar o aparecimento de uma estirpe geneticamente resistente. Esta é, de facto, uma mudança marcadamente adaptativa e, à primeira vista, pode parecer substanciar a velha ideia de que o ambiente pode causar modificações úteis que são depois herdadas. O estudo cuidadoso dos eventos que levam ao aparecimento de uma cepa resistente à estreptomicina prova sem dúvida que não é assim.
Pode ser facilmente demonstrado, antes de mais nada, que a adaptação à estreptomicina não se dá pela conversão em massa de toda a população sensível, mas é antes o resultado do crescimento selectivo excessivo da cultura por parte de alguns indivíduos que são capazes de se multiplicar na sua presença, enquanto a divisão do resto da população é inibida. É por esta razão que a adaptação ocorre apenas quando a população exposta é suficientemente grande para conter pelo menos um desses indivíduos. A questão crítica é a seguinte: como esses raros indivíduos adquiriram as propriedades que permitiram a eles e seus descendentes se multiplicarem na presença de estreptomicina?
Esta questão tem raízes profundas na controvérsia biológica. Ela lembra, de uma nova forma, os argumentos sobre a idéia de Lamarck de que as modificações do indivíduo causadas pelo ambiente podem ser herdadas pelos descendentes. Embora o Lamarckismo tenha sido há muito desmentido para a satisfação da maioria dos biólogos por repetidas demonstrações de que tal herança simplesmente não acontece, a idéia tem persistido em bacteriologia até muito recentemente de que microorganismos são de alguma forma bastante diferentes de outras plantas e animais, e que mudanças hereditárias permanentes de tipo adaptativo podem ser produzidas em bactérias diretamente como resultado da ação das condições de vida.
Duas hipóteses alternativas podem ser consideradas no planejamento de experimentos para determinar a verdadeira origem de variantes resistentes à estreptomicina. A primeira é que um pequeno número de bactérias inicialmente sensíveis foi modificado como resultado directo da acção da estreptomicina, adquirindo assim uma resistência permanente. Este seria um exemplo de uma mudança hereditária adaptativa causada pelo ambiente, já que Darwin previu a origem da maioria das variações hereditárias. A segunda possibilidade é que os indivíduos resistentes já tinham adquirido as propriedades necessárias para a resistência antes de entrarem em contacto com a estreptomicina, como resultado de uma mutação durante a divisão normal da população sensível. Neste caso, o papel do antibiótico seria inteiramente passivo, proporcionando condições que favorecem seletivamente a multiplicação daqueles raros indivíduos presentes na população que já estão equipados, em virtude da ocorrência prévia de um rearranjo fortuito de um gene particular, para suportar sua ação inibitória.
Durante os últimos quinze anos, um grande número de experimentos tem sido projetado e conduzido em vários laboratórios com o objetivo de determinar qual destas hipóteses é correta. Eles estabeleceram sem dúvida que a segunda está correta e que as variantes resistentes à estreptomicina se originam por mutação, a um ritmo muito baixo, durante o crescimento de cepas sensíveis que nunca foram expostas à estreptomicina. A prova depende da demonstração de que a primeira geração de indivíduos resistentes numa cultura, à qual a estreptomicina acaba de ser adicionada, já consiste em grupos familiares relacionados, ou clones, da mesma forma que seria previsível se a sua resistência fosse consequência de uma mudança hereditária que tinha ocorrido há algumas gerações.
O desenvolvimento da resistência à estreptomicina ilustra a forma como as mutações fornecem a base para mudanças adaptativas nas populações bacterianas. Na verdade, qualquer cultura de Escherichia coli, aparentemente bastante homogênea quando se comparam centenas ou até milhares de bactérias, contém dentro dela variantes raras que diferem do tipo predominante em uma ou mais de inúmeras formas. Quando é fornecido um ambiente seletivo adequado, pode ser demonstrado que uma cultura contém mutantes resistentes a muitos antibióticos, à ação da radiação, a todo tipo de produtos químicos que inibem etapas particulares do metabolismo – mutantes que diferem do tipo padrão nos açúcares que podem fermentar, na sua taxa de crescimento, na complexidade das suas necessidades nutricionais, nas suas propriedades antigênicas e em quase todas as características para as quais um método de detecção pode ser encontrado.
Em todos os casos que foram cuidadosamente estudados, essas diferenças são encontradas como tendo origem sem qualquer contacto com as condições sob as quais são vantajosas, e as suas taxas de ocorrência não são normalmente aumentadas por esse contacto. Isto é verdade não só nas culturas bacterianas, onde as mutações podem ser demonstradas rápida e dramaticamente. As populações naturais de outras plantas e animais, incluindo o homem, são conhecidas por conterem mutações de muitos tipos que ocorrem sem relação causal aparente com as condições de crescimento.
Assim, de uma forma que Darwin não poderia ter suposto, o acaso, através da mutação, desempenha um papel muito importante na evolução. Seria realmente difícil imaginar como uma espécie poderia sobreviver por muito tempo, ou progredir na evolução, se dependesse por sua flexibilidade das variações diretamente causadas pelas condições de vida. Além do fato de que modificações produzidas desta forma não são herdadas, exceto em casos muito especiais, seria necessária a intervenção de algum agente proposital e presciente para garantir que condições previamente não encontradas poderiam tipicamente provocar no organismo apenas aquelas respostas que são necessárias para melhorar o ajuste.
Obviamente, a ocorrência de uma diversidade de mutações em populações de bactérias e outros organismos não os equipam necessariamente para enfrentar com sucesso todos os desafios ambientais. Algumas estirpes de bactérias, por exemplo; são incapazes de se adaptar à estreptomicina, já que seu espectro de mutações não inclui a modificação particular do metabolismo que é necessária para a resistência à estreptomicina. Além disso, como há limites na gama de condições que podem suportar a vida, quaisquer mudanças suficientemente drásticas, tais como as que ocorreriam no centro de uma explosão de bomba de hidrogênio, não são passíveis de se mostrar propícias à sobrevivência de qualquer ser vivo.
Even dentro da gama de condições mais toleráveis, a súbita mudança é às vezes mais decisiva do que a sua magnitude. Por exemplo, a bactéria Escherichia coli pode ser tornada resistente à estreptomicina, penicilina e cloromicetina, se os mutantes resistentes a cada um destes antibióticos forem selecionados sequencialmente, mas tal estirpe triplamente resistente não pode ser obtida se a estirpe sensível for exposta simultaneamente a todos os três agentes. Isto é explicado pela probabilidade insignificante de qualquer indivíduo numa população finita ter sofrido mutação em três genes particulares, cada um dos quais mutante muito pouco frequente e independentemente dos outros.
Observações deste tipo, aliás, embora originalmente feitas em laboratórios de genética, encontraram aplicações importantes na prática médica. Muitas pessoas que têm usado antibióticos para combater a infecção têm tido a experiência de um alívio dramático dos sintomas, a ser seguido em poucos dias por uma recorrência, desta vez falhando em responder ao mesmo antibiótico. Às vezes isso pode ser explicado pela seleção de uma variante, presente na população infectante de bactérias, que é resistente ao antibiótico e que tem sua chance de se multiplicar uma vez que a população sensível é eliminada pela primeira rodada de tratamento. Em alguns casos, um médico recomendará o uso de uma combinação de dois ou mais antibióticos não relacionados simultaneamente, sabendo que os mutantes resistentes a mais de um desses medicamentos têm muito menos probabilidade de estar presentes. Embora o uso de combinações de antibióticos nem sempre seja viável por razões médicas, sob certas condições tem efetivamente evitado a ocorrência de recidivas causadas pela seleção de variantes resistentes.
Há, é claro, muito mais envolvido na complicada saga da evolução do que o simples quadro de mutação e seleção que explica a adaptação bacteriana à estreptomicina. No entanto, a continuidade da vida desde suas primeiras agitações, e seu constante progresso em direção a níveis mais altos de organização, tem dependido, e continua a depender, do reservatório de resposta adaptativa que é fornecido inicialmente pelas mutações dos genes.
Por que, se as mutações são a fonte do progresso evolutivo, será que ouvimos tanto sobre os perigos genéticos da queda radioativa, da superexposição dos órgãos reprodutivos às radiações clínicas, e do aumento dos níveis de radiação da idade atômica? Sabemos que as radiações aumentam consideravelmente a frequência com que ocorrem mutações de todos os tipos. As mutações, em si mesmas, não são nem boas nem más. A resistência à estreptomicina é boa para a Escherichia coli na presença de estreptomicina, mas quando o antibiótico é removido, muitos dos mutantes resistentes são incapazes de crescer, alguns deles realmente necessitam de estreptomicina para crescer. Da mesma forma, os mutantes resistentes à radiação estão em vantagem na presença de luz ultravioleta ou raios X, mas, em competição com a forma sensível quando não há radiação, eles morrem rapidamente. Em qualquer fase da história de uma espécie, sob condições naturais, as mutações que estão ocorrendo sem dúvida já ocorreram antes, e a maioria das mutações que são vantajosas sob as condições então predominantes já foram estabelecidas como parte do complexo genético predominante. Assim, a maioria das mutações são de alguma forma prejudiciais; sabe-se que as mutações mais frequentes na mosca da fruta são as que têm efeitos letais. O aumento das taxas de mutação como resultado da exposição a quantidades não naturais de radiação, portanto, são susceptíveis de ser prejudiciais, não só para a progênie individual de determinadas pessoas, mas para o vigor da humanidade.
Embora os riscos genéticos da radiação sejam de preocupação mais imediata, existem implicações mais positivas do novo conhecimento da genética e da evolução para o futuro da humanidade. O grau de controle que tem sido alcançado sobre as forças ambientais, e sobre as enfermidades constitucionais que de outra forma reduziriam as chances de sobrevivência e procriação de um segmento significativo da humanidade, já enfraqueceu o poder até então incontestado da seleção natural. Se um dia o homem escolher utilizar o poder muito maior de sua intervenção consciente e propositada, seu futuro biológico será moldado por suas próprias mãos. Ainda há possibilidades inimagináveis na argila multipotente que é sua para moldar.