Um novo estudo da Universidade de Michigan desafia essa suposição antiga e sugere que a evolução pode ocorrer de maneira muito diferente do que se pensava anteriormente.

Reconsiderando a Teoria Neutra da Evolução

À medida que as espécies evoluem, surgem mutações genéticas aleatórias. Algumas dessas mutações se tornam fixas, ou seja, se espalham até que todos os indivíduos de uma população carreguem a alteração. A Teoria Neutra da Evolução Molecular argumenta que a maioria das mutações que alcançam essa etapa são neutras. Mutações prejudiciais são rapidamente eliminadas, enquanto as benéficas são supostas ser extremamente raras, explica o biólogo evolutivo Jianzhi Zhang.

Zhang e sua equipe se propuseram a testar se essa ideia se sustenta com uma análise mais detalhada. Seus resultados indicaram um grande problema. Os pesquisadores descobriram que mutações benéficas ocorrem com muito mais frequência do que a Teoria Neutra permite. Ao mesmo tempo, observaram que a taxa geral na qual mutações se fixam nas populações é muito mais baixa do que se esperaria se tantas mutações úteis estivessem se consolidando.

Por que Mutações Benéficas Muitas Vezes Não Persistem

Para explicar essa contradição, a equipe propôs uma nova explicação baseada na mudança ambiental. Uma mutação que traz vantagem em um cenário pode se tornar prejudicial assim que as condições mudam. Devido à frequência das mudanças ambientais, muitas mutações benéficas nunca se espalham amplamente o suficiente para se tornarem fixas.

O estudo, que contou com o apoio dos Institutos Nacionais de Saúde dos EUA, foi publicado em Nature Ecology and Evolution.

“Estamos afirmando que o resultado foi neutro, mas o processo não foi neutro,” disse Zhang, professor de ecologia e biologia evolutiva na U-M. “Nosso modelo sugere que as populações naturais não estão realmente adaptadas aos seus ambientes, porque este muda muito rapidamente, e as populações estão sempre correndo atrás do ambiente.”

Zhang denomina essa estrutura de Acompanhamento Adaptativo com Pleitropia Antagônica. Essa ideia ajuda a explicar por que os organismos raramente estão perfeitamente ajustados ao seu entorno.

Implications for Humans and Other Species

Zhang acredita que as descobertas têm implicações abrangentes, inclusive para os seres humanos. Os ambientes modernos diferem drasticamente daqueles que nossos ancestrais enfrentaram, o que pode explicar por que certas características genéticas não nos servem tão bem quanto no passado.

“Acredito que isso tem amplas implicações. Por exemplo, os humanos. Nosso ambiente mudou tanto, e nossos genes podem não ser os mais adequados para o ambiente atual porque passamos por muitos outros ambientes diferentes. Algumas mutações podem ser benéficas em nossos antigos ambientes, mas estão desalinhadas com o que temos hoje,” disse Zhang.

Ele acrescentou que o quão bem uma população está adaptada depende de quão recentemente seu ambiente mudou.

“A qualquer momento em que você observe uma população natural, dependendo de quando foi a última vez que o ambiente sofreu uma grande mudança, a população pode estar muito mal adaptada ou relativamente bem adaptada. Mas provavelmente nunca veremos uma população totalmente adaptada ao seu ambiente, porque uma adaptação completa levaria mais tempo do que quase qualquer ambiente natural consegue permanecer constante.”

Como os Cientistas Estudaram Mutação Benéficas

A Teoria Neutra da Evolução Molecular foi introduzida na década de 1960, quando os avanços em sequenciamento de proteínas e genes permitiram aos cientistas estudar a evolução em nível molecular em vez de se concentrarem apenas em características físicas como forma e estrutura.

Para medir com que frequência as mutações benéficas ocorrem, Zhang e sua equipe analisaram grandes conjuntos de dados de mapeamento mutacional gerados por seu próprio laboratório e outros. Nesses experimentos, os pesquisadores criaram deliberadamente várias mutações diferentes dentro de um único gene ou seção do genoma em organismos como leveduras e E. coli.

Em seguida, eles acompanharam esses organismos por muitas gerações e compararam seu crescimento ao tipo selvagem, ou a forma mais comum encontrada na natureza. Ao medir as diferenças no crescimento, os pesquisadores puderam estimar se uma mutação ajudava ou prejudicava o organismo.

Os resultados mostraram que mais de 1% das mutações eram benéficas. Essa taxa é muito mais alta do que o previsto pela Teoria Neutra. Se todas essas mutações úteis se tornassem fixas, quase todas as mudanças genéticas seriam benéficas e a evolução ocorreria de forma muito mais rápida do que o que os cientistas realmente observam. Essa constatação levou a equipe a questionar a suposição de que os ambientes permanecem constantes ao longo do tempo.

Testando a Evolução em Ambientes em Mudança

Para explorar os efeitos de mudanças ambientais, os pesquisadores estudaram dois grupos de leveduras. Um grupo evoluiu em um ambiente estável por 800 gerações (cada geração durou 3 horas). O segundo grupo evoluiu pelo mesmo número de gerações, mas em um ambiente em mudança composto por 10 tipos diferentes de meios, ou soluções de crescimento. Cada meio foi utilizado por 80 gerações antes de mudar para o próximo.

As leveduras expostas a condições cambiantes mostraram um número muito menor de mutações benéficas sendo estabelecidas em comparação com aquelas que estavam no ambiente estável. Mesmo quando mutações vantajosas surgiram, raramente duraram tempo suficiente para se espalhar antes que as condições mudassem novamente.

“Aqui está a origem da inconsistência. Embora observemos muitas mutações benéficas em um determinado ambiente, essas mutações benéficas não têm a chance de se fixar porque, à medida que sua frequência aumenta a um certo nível, o ambiente muda,” disse Zhang. “Essas mutações benéficas em um ambiente antigo podem se tornar prejudiciais no novo ambiente.”

Limitações e Próximos Passos

Zhang alertou que o estudo se concentrou em leveduras e E. coli, organismos unicelulares onde os efeitos das mutações são mais fáceis de medir. Dados de organismos multicelulares serão necessários para determinar se os mesmos padrões se aplicam a formas de vida mais complexas, incluindo os seres humanos.

A equipe de pesquisa já está planejando estudos adicionais para entender melhor por que leva tanto tempo para os organismos se adaptarem completamente, mesmo quando as condições ambientais permanecem estáveis.

Outros autores do estudo incluem ex-alunos de U-M, Siliang Song e Xukang Shen, e a ex-pesquisadora de pós-doutorado de U-M, Piaopiao Chen.