De um veio muitos.
Há cerca de 700 milhões de anos, uma única célula deu origem ao primeiro animal, um organismo multicelular que acabaria gerando a incrível complexidade e diversidade dos animais hoje. Novas pesquisas agora oferecem aos cientistas uma nova perspectiva sobre como essa célula se parecia, e como a multicelularidade poderia ter emergido dela – uma transição que marca um dos eventos mais cruciais da história da vida na Terra.
Por mais de um século, tem sido amplamente aceito que os ancestrais dos quais o primeiro animal evoluiu eram simples gotas de células idênticas. Só mais tarde, depois que os animais formaram seu próprio ramo na árvore da vida, essas células começaram a se diferenciar em vários tipos de células com funções especializadas. Mas agora, meticulosas análises genômicas e comparações entre os animais mais antigos hoje vivos e seus parentes não animais mais próximos estão começando a derrubar essa teoria.
O trabalho recente pinta uma imagem de organismos unicelulares ancestrais que já eram incrivelmente complexos. Eles possuíam a plasticidade e a versatilidade para deslizar para frente e para trás entre vários estados – diferenciar como as células-tronco atuais fazem e depois se desdiferenciar de volta para uma forma menos especializada. A pesquisa implica que os mecanismos de diferenciação celular antecederam a ascensão gradual de animais multicelulares.
Agora, os cientistas estão relatando as evidências mais convincentes para a nova narrativa. O trabalho deles, e o debate inspirado por sua publicação na Nature no mês passado, também destacam como é difícil definir respostas definitivas para esses tipos de questões evolucionistas – e quão ampla uma rede de pesquisadores tem que lançar em busca dessas respostas.
Procurando parentes próximos
Na década de 1860, os biólogos Henry James Clark e William Saville-Kent notaram separadamente uma impressionante semelhança entre as células de dois organismos. Os coanoflagelados são minúsculas células esféricas ou ovais, coroadas com um “colar” de saliências em forma de dedos ao redor de um único flagelo que balança para frente e para trás. Esses protistas agitam as correntes de água com seus flagelos, varrendo a próxima refeição (geralmente bactérias) em seus colares para comer. Enquanto isso, as esponjas são animais simples compostos de muitos tipos de células, incluindo células cobertas de coanócitos, que flagelam as cavidades dentro da esponja e capturam sua comida. Os coanócitos parecem e agem notavelmente como os coanoflagelados, tanto que alguns cientistas postularam nos anos 80 e 90 que os coanoflagelados poderiam ser animais que evoluíram de esponjas e depois simplificados para uma célula.
As semelhanças estruturais levaram os especialistas a pensar que as células compartilhavam um ancestral e que os coanoflagelados unicelulares poderiam ser a chave para entender como a esponja multicelular surgiu. Com base nisso, o famoso biólogo marinho Ernst Haeckel apresentou uma teoria para a evolução da multicelularidade animal em 1874, que os pesquisadores elaboraram desde então: Uma célula ancestral semelhante ao coanoflagelado começou tudo. Muitas dessas células se uniram para formar uma colônia, uma bola oca de células idênticas que, por sua vez, gradualmente se diferenciaram em tipos de células e tecidos com várias funções. Isso eventualmente levou ao primeiro animal, a esponja – e o resto é história.
Todos os sinais indicaram que este era o caminho certo para pensar sobre a evolução animal. Nos anos 2000, mais de um século depois que Haeckel propôs sua teoria, evidências genômicas confirmaram que os coanoflagelados eram os parentes vivos mais próximos dos animais. “Dos muitos eucariontes unicelulares existentes, há 150 anos os coanoflagelados foram propostos como um parente próximo dos animais”, disse Pawel Burkhardt, biólogo molecular do Centro Internacional de Biologia Molecular Marinha da Sars na Noruega. Então o primeiro genoma foi sequenciado, e bam! Na verdade, foi realmente verdade.
“Os cientistas, inclusive eu, há muito tempo desfrutam dessa conexão coanófila-coanócito”, disse David Gold, geobiólogo da Universidade da Califórnia, em Davis, “porque conta uma história clara e elegante”.
Além disso, disse Douglas Erwin, um paleobiólogo do Museu Nacional de História Natural da Smithsonian Institution, em Washington, D.C., “Você vai questionar Haeckel? Como você pergunta a Haeckel? É quase como questionar Darwin“.
As primeiras sementes da dúvida
Mas a incerteza sobre essa história clara e elegante vem crescendo na última década. A ideia de que os animais surgiram de uma colônia de células semelhantes a coanoflagelados implica que a diferenciação celular evoluiu após a multicelularidade. Mas “os dados estão demonstrando que não é assim”, disse Iñaki Ruiz-Trillo, biólogo evolucionário do Instituto de Biologia Evolutiva de Barcelona.
A primeira complicação veio em 2008, quando um grupo de cientistas, em um esforço para mapear com mais precisão as relações evolutivas entre os animais na árvore da vida, identificou geléias de pente, em vez de esponjas, como os primeiros animais. A descoberta gerou controvérsia. “Ainda é uma questão muito acirrada”, disse Gold, “mas acho que forçou a comunidade a reavaliar a narrativa clássica”.
Descobertas subsequentes continuaram a alimentar o debate sobre qual grupo de animais veio primeiro. E alguns estudos descobriram diferenças negligenciadas entre coanoflagelados e coanócitos de esponja. O ancestral compartilhado das células começou a parecer menos com uma conclusão precipitada.
Os cientistas também começaram a perceber que os coanoflagelados e dois grupos unicelulares intimamente relacionados têm ciclos de vida complexos que passam por vários estados celulares. Esses estados atuam essencialmente como tipos celulares diferentes – mas, ao invés de existirem lado a lado, como em um organismo multicelular, eles surgem sequencialmente em uma única célula. “Eles têm diferenciação celular temporal”, disse Burkhardt.
E durante esses ciclos de vida, todos esses três protistas passam parte de suas vidas de uma forma que faz fronteira com algo como multicelularidade primitiva. Os coanoflagelados têm uma forma colonial; o segundo grupo protista tem células semelhantes a ameba que agregam; as células do terceiro grupo crescem para ter centenas de núcleos.
Isso levou a um artigo em 2009 que rejuvenesceu uma velha alternativa à hipótese de Haeckel. Em 1949, o biólogo russo Alexey Zakhvatkin havia proposto que os animais multicelulares evoluíram quando as células diferenciaram temporariamente as colônias e começaram a se comprometer com estágios específicos em seus ciclos de vida, permitindo que alguns tipos de células existissem de uma só vez. Ruiz-Trillo e seus colegas forneceram mais evidências para a chamada transição temporal-espacial. Em uma série de estudos, eles mostraram que certas famílias de proteínas reguladoras supostamente exclusivas de animais, incluindo aquelas envolvidas na diferenciação celular, já estavam presentes em seus parentes unicelulares muito mais antigos.
Agora, uma equipe de pesquisadores liderada por Sandie Degnan e Bernard Degnan, um casal de biólogos marinhos da Universidade de Queensland, na Austrália, forneceu apoio adicional para essa visão da evolução animal, ao mesmo tempo em que também tomava conta da fundação da teoria tradicional: elo evolutivo entre os coanoflagelados e os coanócitos da esponja.
Um antepassado mais flexível
Quando a equipe começou seu projeto, eles “realmente queriam colocar um pouco de carne nos ossos da teoria [tradicional]”, disse Bernard Degnan. Para fazer isso, eles examinaram a expressão gênica em coanócitos e outros tipos de células esponjosas, em seguida, compararam essas descobertas com dados publicados sobre coanoflagelados e outros dois protistas.
Eles esperavam estabelecer que os coanócitos da esponja tinham perfis de expressão gênica mais semelhantes aos dos coanoflagelados. Em vez disso, eles descobriram que outro tipo de célula de esponja fazia isso.
Esse tipo de célula, chamado de arqueócito, age como uma célula-tronco para a esponja: ela pode se diferenciar em qualquer outro tipo de célula que o animal possa precisar. Alguns dos padrões de expressão genética em arqueócitos são significativamente semelhantes aos dos protistas durante os estágios do ciclo de vida, de acordo com Bernard Degnan. “Eles estão expressando genes que sugerem que eles têm um sistema regulatório ancestral”, disse ele. “Todos os animais são apenas variações sobre esse tema que foi criado há muito tempo.”
Além disso, os coanócitos pareciam ser inesperadamente transitórios. “Os coanócitos, que deveriam ser o alicerce de todas as origens dos animais … são quase efêmeros”, disse ele. “Eles não permanecem nesse estado de forma estável, mas rapidamente se diferenciam nessas células-tronco, os arqueócitos.”
Para Gold, que não esteve envolvido no estudo, esse resultado é a evidência mais forte, no entanto, de que os coanócitos de esponja não devem necessariamente ser usados ??como “algum tipo de proxy para a origem dos animais”.
Bernard Degnan acredita que é possível que os coanoflagelados e os coanócitos esponjosos tenham chegado independentemente à sua arquitetura flagelada e flagelada. Na ancestralidade compartilhada de coanoflagelados e esponjas, poderia haver algo como um arqueocito ou uma célula-tronco pluripotente. “Ele transitou entre diferentes tipos de células, e esses tipos de células se tornaram estáveis”, disse ele. “E essencialmente é isso que deu origem à verdadeira multicelularidade.” Mais tarde, à medida que os animais se tornaram maiores e mais complexos, suas células precisaram se tornar mais precisas, especializadas e fixas em suas identidades, mas perderam muita versatilidade no processo.
Em retrospectiva, esta versão da origem da multicelularidade faz muito sentido. De acordo com alguns especialistas, podemos pensar nos organismos unicelulares que vieram antes dos animais como células-tronco: eles poderiam continuar se dividindo para sempre, e eles poderiam realizar uma variedade de funções, incluindo a reprodução. Outros animais primitivos, como a água-viva, mostram grande parte dessa plasticidade aparentemente ancestral também.
“As células-tronco são algo que as pessoas vêm trabalhando há anos” em estudos de desenvolvimento, cicatrização de feridas e câncer, disse Ruiz-Trillo. Agora, está ficando claro que eles serão “interessantes para entender a evolução também”, para descobrir como os animais surgiram.
Um caminho para a reconciliação
Nem todo mundo concorda inteiramente com as conclusões do Degnans. Desenhar inferências a partir de perfis de expressão gênica não é tão simples. “Dig no [it], e você poderia interpretar alguns dados completamente diferente”, disse Burkhardt. Diferenças na expressão gênica não impedem necessariamente que dois tipos de células compartilhem ancestralidade.
Erwin concordou. Tais dados, ele disse, “são um instantâneo [tomado] em um determinado ponto no tempo.” Dado que os coanoflagelados e os coanócitos esponjosos têm evoluído por conta própria nos últimos 700 milhões de anos, faz sentido que eles expressem genes muito diferentes.
Em qualquer comparação entre os organismos modernos, “você está olhando para animais que têm uma história de perda e ganho”, disse Maja Adamska, bióloga desenvolvimentista evolucionária da Universidade Nacional Australiana que não participou do estudo de Degnans. “Você corre o risco de simplificar demais suas descobertas.”
Outras espécies de esponjas, ela acrescentou, não têm arqueócitos. Em vez disso, seus coanócitos realizam esses papéis semelhantes a células-tronco. “Eu suspeito que, se fizéssemos uma comparação [naqueles coanócitos]”, disse Adamska, “teríamos encontrado maior semelhança com os coanoflagelados”.
Adamska acha que o primeiro animal poderia muito bem ter sido uma panqueca de células semelhantes a caules que muitas vezes mudaram suas identidades. Ela também acha que a comparação da expressão gênica não exclui os laços evolutivos entre os coanoflagelados e as primeiras células animais multicelulares. “Na verdade, acredito fortemente que meus ancestrais tinham coanócitos”, disse ela.
As duas teorias sobre as origens da multicelularidade animal não são mutuamente exclusivas. “Eu acho que há um lugar para os recursos do tipo coanoflagelado e características de diferenciação temporal no último ancestral comum que estamos tentando pintar”, disse Adamska. “Eu não vejo a contradição lá.” Ela e seus colegas estão trabalhando agora na criação de perfis de expressão em esponjas sem archaeocytes para testar essa ideia ainda mais.
Dicas de uma teoria combinada já estão surgindo do laboratório de Burkhardt. Em uma pré-impressão que publicaram no biorxiv.org em maio, Burkhardt e seus colegas descobriram que as células de uma colônia coanoflagelada não são todas idênticas: elas diferem em sua morfologia e na proporção de suas organelas. Estas observações, disse ele, sugerem que a diferenciação celular espacial já estava acontecendo na linhagem coanoflagelada, e talvez até mais cedo – uma possibilidade que combina as novas idéias (que a capacidade de diferenciação é antiga e a transição para a multicelularidade animal foi gradual) com a antigo (que isso poderia acontecer com células semelhantes a coanoflagelados).
Então, enquanto ainda não há uma resposta definitiva sobre como é o primeiro animal, a imagem está ficando mais clara. “Estamos chegando mais perto de entender de onde viemos nas profundezas do tempo”, disse Adamska. “E eu acho que isso é tão legal.”
Publicado em 25/07/2019
Artigo original: https://www.quantamagazine.org/scientists-debate-the-origin-of-cell-types-in-the-first-animals-20190717/
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