Para reconhecer uma vida extraterrestre estranha e resolver mistérios biológicos neste planeta, os cientistas estão procurando uma definição objetiva para as unidades básicas da vida.
Mais de meio bilhão de anos atrás, durante o período ediacarano, um mundo surreal de vida invadiu o fundo do oceano. Seus animais bizarros e de corpo mole tinham formas físicas que desafiam a imaginação: bolhas acolchoadas e discos com nervuras, tubos segmentados e sinos revirados, fusos cônicos e cones finos. Eles foram talvez os primeiros grandes organismos multicelulares do planeta – mas logo foram extintos sem deixar para trás descendentes modernos; vestígios fósseis em antigas lajes de arenito e quartzito são tudo o que resta dessas criaturas absolutamente estranhas e fantásticas.
Por causa dessa estranheza, os paleontologistas ainda debatem até as perguntas mais básicas sobre eles: como eles se desenvolveram, como comeram e se reproduziram, mesmo onde um indivíduo fossilizado termina e outro começa. Esses animais eram organismos únicos ou colônias de indivíduos menores, parecidos com o homem de guerra português? Onde seus corpos gelatinosos terminam e seu ambiente começa?
A tarefa de distinguir indivíduos pode ser difícil – e não apenas para cientistas que pretendem entender um registro fóssil fragmentado. Pesquisadores que procuram vida em outros planetas ou luas são obrigados a enfrentar o mesmo problema. Até hoje na Terra, é claro que a natureza tem um desrespeito superficial pelos limites: os vírus dependem das células hospedeiras para fazer cópias de si mesmas. As bactérias compartilham e trocam genes, enquanto espécies de ordem superior hibridam. Milhares de amebas de mofo se juntam em torres para espalhar seus esporos. As formigas e abelhas operárias podem ser membros não produtivos dos “superorganismos” das colônias sociais. Os líquenes são compostos simbióticos de fungos e algas ou cianobactérias. Mesmo os seres humanos contêm pelo menos tantas células bacterianas quanto as células “auto”, os micróbios do nosso intestino inextricavelmente ligados ao nosso desenvolvimento, fisiologia e sobrevivência.
Esses organismos são “tão intimamente conectados às vezes que não está claro se você deve falar sobre um ou dois ou muitos”, disse John Dupré, filósofo da ciência da Universidade de Exeter e diretor do Egenis, o Centro para o Estudo de Ciências da Vida.
No entanto, ser capaz de fazer essas distinções é extremamente importante para os cientistas. Os ecologistas precisam reconhecer os indivíduos ao desembaraçar as simbioses e relacionamentos complexos que definem uma comunidade. Os biólogos evolucionistas, que estudam a seleção natural e como ela escolhe indivíduos para o sucesso reprodutivo, precisam descobrir o que constitui o indivíduo selecionado.
O mesmo se aplica aos campos da biologia que lidam com conceitos mais abstratos do indivíduo – entidades que emergem como padrões distintos dentro de esquemas maiores de comportamento ou atividade. Os biólogos moleculares devem identificar quais genes de muitos milhares interagem como uma rede discreta para produzir uma determinada característica. Os neurocientistas devem determinar quando grupos de neurônios no cérebro agem como uma entidade coesa para representar um estímulo.
“De certa forma, [biologia] é uma ciência da individualidade”, disse Melanie Mitchell, cientista da computação do Instituto Santa Fe.
E, no entanto, a noção do que significa ser um indivíduo geralmente fica encoberta. “Até agora, temos um conceito de” indivíduo “muito parecido com o conceito de” pilha “”, disse Maxwell Ramstead, pesquisador de pós-doutorado na Universidade McGill. “Se houver um monte de areia, você intuitivamente sabe que é um monte de areia. Mas uma pilha não é uma coisa definida com precisão. Não é como depois de 13 grãos, passa de uma coleção para uma pilha. ”
Essa definição fundamental está ausente em parte porque “a biologia como um campo é completamente sub-teorizada”, disse Manfred Laubichler, biólogo teórico da Universidade Estadual do Arizona. “Ainda é uma disciplina empiricamente orientada”.
Agora, alguns grupos de cientistas estão planejando mudar isso – e estão começando a formalizar o conceito de indivíduo de acordo com um conjunto de princípios e medidas que eles esperam que guiem a biologia para uma nova era.
Um Verbo, Não um Substantivo
Quando se trata de definir indivíduos biológicos, tendemos a confiar no que podemos observar e medir. As células são delimitadas por membranas, os animais pela pele; podemos sequenciar o DNA e demarcar genes nessas seqüências. Acima de tudo, nossas definições privilegiam o organismo e as características associadas a ele: uma entidade fisicamente separada de seu ambiente, que possui DNA e pode se replicar, que está sujeita à seleção natural.
Mas essa não é a única maneira de ver os seres vivos – nem sempre é a melhor. “Eu sempre digo que, se Darwin fosse um microbiologista, teríamos uma teoria da evolução muito diferente”, disse David Krakauer, teórico da evolução e presidente do Instituto Santa Fe. “Você não teria começado com a sobrevivência do organismo mais apto. Teria sido uma premissa muito diferente.”
Krakauer está em uma busca para descobrir uma maneira mais natural e objetiva de identificar unidades biológicas, uma métrica operacional para quantificar a individualidade com base na dinâmica intrínseca do sistema em estudo, sem preconceitos ou limites impostos por circunstâncias externas.
Jessica Flack, especialista no estudo de fenômenos coletivos também baseado no Instituto Santa Fe, ficou igualmente frustrada com as maneiras arbitrárias em que os conceitos de individualidade foram aplicados no estudo da seleção natural e de outros processos biológicos. Então, os dois se uniram e, na maior parte de uma década – que incluiu uma mudança de Santa Fe para Wisconsin e vice-versa, e o recrutamento de vários outros colegas para o projeto – eles desenvolveram o que esperavam ser “muito mais aberto definição de trabalho fundamental e objetiva que não assume que sabemos a resposta, ou sabemos muito da resposta a priori”, disse Flack.
No centro dessa definição de trabalho estava a idéia de que um indivíduo não deveria ser considerado em termos espaciais, mas temporais: como algo que persiste de maneira estável, mas dinâmica, ao longo do tempo. “É uma maneira diferente de pensar sobre os indivíduos”, disse Mitchell, que não estava envolvido no trabalho. “Como uma espécie de verbo, em vez de um substantivo.”
Não é uma abordagem totalmente nova. No início de 1800, o zoólogo francês Georges Cuvier descreveu a vida como um vórtice, “mais ou menos rápido, mais ou menos complicado, cuja direção é invariável e que sempre carrega moléculas de tipos semelhantes, mas nas quais moléculas individuais são entrando continuamente e de onde eles estão partindo continuamente; para que a forma de um corpo vivo seja mais essencial do que a sua matéria.” Muitos filósofos e biólogos adotaram essa “visão de processo”, na qual organismos e outros sistemas biológicos existem não como objetos ou materiais fixos, mas como padrões e relações fluentes em um rio de fluxo.
Infelizmente, “uma vez que a teoria dos genes assumiu o controle, tornou-se uma biologia das coisas”, disse Scott Gilbert, biólogo do desenvolvimento no Swarthmore College. Mas agora isso está começando a mudar novamente. “A biologia do século XX era uma biologia das coisas”, disse ele. “A biologia do século XXI é uma biologia de processos.”
E os cientistas desenvolveram as ferramentas para considerar esses processos de maneira formal e precisa. “Podemos pegar muitas dessas coisas que temos feito com uma linguagem de objetos em biologia”, disse Eric Smith, pesquisador de origens da vida no Instituto Santa Fe, e “percebemos que podemos fazer o mesmo” coisas e fazê-las melhor, com uma linguagem estatística e distributiva. ?
Muitos graus de individualidade
Krakauer e Flack, em colaboração com colegas como Nihat Ay, do Instituto Max Planck de Matemática nas Ciências, perceberam que precisariam recorrer à teoria da informação para formalizar seu princípio do indivíduo “como uma espécie de verbo”. Para eles, um indivíduo era um agregado que “preservava uma medida de integridade temporal”, propagando uma quantidade quase máxima de informações adiante no tempo.
O formalismo deles, publicado na Theory in Biosciences em março, é baseado em três axiomas. Uma é que a individualidade pode existir em qualquer nível de organização biológica, do subcelular ao social. Um segundo é que a individualidade pode ser aninhada – um indivíduo pode existir dentro de outro. O axioma mais novo (e talvez mais contra-intuitivo), porém, é que a individualidade existe em um continuum e as entidades podem ter graus quantificáveis.
“Esta não é uma função binária que de repente dá um salto”, disse Chris Kempes, biólogo físico do Instituto Santa Fe que não estava envolvido no trabalho. Para ele, como físico, isso faz parte do apelo da teoria da equipe de Santa Fe. A ênfase em quantificar sobre categorizar é algo que a biologia poderia usar mais, ele pensa – em parte porque contorna problemas de definição complicados sobre, digamos, se um vírus está vivo e se é um indivíduo. “A questão é: como viver é um vírus?” ele disse. “Quanta individualidade tem um vírus?”
Krakauer, Flack e o resto do grupo começaram a definir “lentes” para identificar essa individualidade em ambientes complexos e barulhentos. “Pense em construir um tipo de microscópio que me permita ver as informações sendo propagadas no tempo”, disse Krakauer. Eles descreveram uma estrutura matemática que divide o fluxo de informações em partes e avalia a individualidade com base em como diferentes combinações de influências ambientais e dinâmicas internas podem prever os estados futuros de um sistema.
Com base nesses gradientes de fluxo de informações, a equipe de Santa Fe distingue três tipos de individualidade. O primeiro é o indivíduo organismal, uma entidade que é moldada por fatores ambientais, mas é fortemente auto-organizada. Quase todas as informações que definem esse indivíduo são internas e baseadas em seus próprios estados anteriores. “Essa é uma lente que, se você a usasse, permitiria ver humanos, mamíferos e pássaros”, disse Krakauer.
O segundo tipo de individualidade é a forma colonial, que envolve uma relação mais complicada entre fatores internos e externos. Os indivíduos nessa categoria podem incluir uma colônia de formigas ou uma teia de aranha – sistemas distribuídos que são “parcialmente andaimes” pelo ambiente, mas ainda mantêm alguma estrutura por conta própria.
O terceiro tipo é impulsionado quase inteiramente pelo meio ambiente. “Se você remover os andaimes, a [entidade] desmoronará”, disse Krakauer. É como um tornado, que se dissipa sob condições erradas de temperatura e umidade. A primeira vida a surgir na Terra foi provavelmente assim, acrescentou Krakauer.
Essa “teoria da informação da individualidade”, como os pesquisadores chamam, oferece uma maneira muito geral de pensar em unidades biológicas. Eles esperam que isso inspire algoritmos que possam “permitir que você extraia figura do solo, organismo e meio ambiente”, disse Krakauer. Tais algoritmos podem ser aplicados a fluxos de dados coletados ao longo do tempo para identificar correlações de informações que significam o surgimento de indivíduos.
Dentro dessa teoria, os indivíduos podem ser células, tecidos, organismos, colônias, empresas, instituições políticas, grupos online, inteligência artificial ou cidades – até mesmo idéias ou teorias, segundo Krakauer. “O que estamos tentando fazer é descobrir um zoológico inteiro de formas de vida que se estendem muito além do que chamamos de vida”, disse ele.
Esses indivíduos podem ser entidades que nunca consideramos porque não estão em conformidade com as escalas, funções ou distribuições no espaço com as quais estamos familiarizados – entidades “que não combinam com nossa intuição comum do que é um indivíduo”. Disse Flack.
“Nossos sentidos são muito limitados. O que podemos processar em nossos cérebros é, no final, limitado, embora seja considerável”, disse Martin Biehl, pesquisador da Araya, uma empresa de IA em Tóquio, que está desenvolvendo uma abordagem matemática para identificar agentes individuais em sistemas artificiais. “Então, de onde tiramos essa confiança, de que não estamos perdendo toneladas de indivíduos ocultos?”
A vida não como a conhecemos
Essa nova maneira de reconhecer indivíduos pode ter muitas vantagens. Talvez certas redes de genes e moléculas de sinalização atuem como indivíduos no nível da célula, enquanto outros se espalham entre as células. Talvez o câncer seja melhor compreendido como o resultado de certas células ganharem um maior grau de individualidade do que seus vizinhos.
Krakauer e Kempes, entre outros cientistas, esperam aplicar essa abordagem baseada em medidas às questões das origens da vida: “Os corpos planetários são ambientes ricos e complicados, e a química é um enorme espaço combinatório”, disse Kempes. “Sob todas essas condições diferentes … provavelmente ficaremos surpresos com quantos tipos de origens da vida você pode obter”. Ele deseja usar métricas como as de Krakauer para identificar propriedades subjacentes ou princípios gerais que podem ser compartilhados por essas diversas histórias de origem.
“As pessoas querem se concentrar nas coisas que sabemos que toda a vida que temos compartilha”, acrescentou Kempes. “Mas isso é muito particular na história evolutiva que tivemos neste planeta e na origem específica da vida que tivemos neste planeta. Essa não é uma maneira muito geral de pensar sobre a vida. ” Certamente não ajudará a identificar a vida além do nosso próprio sistema solar, que pode estar completamente além da compreensão humana, como o oceano sensível de plasma que o escritor Stanisław Lem imaginou em seu romance Solaris, de 1961.
Mas uma definição mais ampla de individualidade não permitirá que os cientistas procurem novos tipos de vida. Eles também podem investigar como diferentes condições de contorno podem afetar o grau de individualidade de uma entidade e sua relação com o ambiente. Por exemplo, como “individual” é um ecossistema? O que acontece com essa individualidade se uma espécie desaparecer ou se um fator ambiental crucial mudar? O que acontece se o limite de um organismo é traçado não ao redor de sua pele, mas também para incluir parte de seu ambiente? As respostas podem afetar os esforços de conservação e nossa compreensão de quanta interdependência existe entre organismos, espécies e seu ambiente físico. E se os pesquisadores puderem entender melhor os fatores que têm maior impacto na individualidade de um sistema, poderão aprender mais sobre transições evolutivas, como o surgimento da multicelularidade.
“Penso que definir quantidades fundamentais nos ajuda a repentinamente começar a ver dinâmicas que não tínhamos visto antes e entender processos que não tínhamos pensado antes”, disse Kempes – da mesma maneira que definir e entender a temperatura permitiu que formulação de novas teorias em física.
Manutenção da individualidade
Outros cientistas que fazem pesquisas teóricas sobre a individualidade não necessariamente concordam que a teoria de Krakauer e Flack oferece a melhor ou mais útil estrutura para encontrar respostas. Para Ramstead na McGill, por exemplo, o fato de a estrutura de Krakauer e Flack poder se aplicar igualmente bem a qualquer tipo de sistema não é uma marca totalmente a seu favor. Ele concorda com as premissas iniciais do grupo de Santa Fe e com o uso da teoria da informação, mas diz que sua definição precisa de algo extra – uma maneira de diferenciar entidades biológicas de entidades em sistemas não-vivos (como furacões), com base no fluxo de informações.
Ramstead supõe que sua abordagem está perdendo uma consideração de como um indivíduo mantém o limite que se delimita. “Os organismos não são apenas indivíduos”, disse ele. “Eles têm acesso a informações sobre sua individuação.” Para ele, o tipo de informação que a estrutura de Krakauer e Flack usa pode não ser “conhecível” para um organismo: “Não está claro para mim que o organismo possa usar essas métricas de informação definidas por eles de uma maneira que permita preservar sua integridade”. existência ?, ele disse.
Como alternativa, Ramstead está colaborando com Karl Friston, um renomado neurocientista da University College London, para construir uma teoria em torno do “princípio de energia livre” de auto-organização biológica de Friston. Ramstead vê essa linha de pensamento como compatível com o formalismo de Krakauer e Flack, mas utilmente restringida por uma explicação de como uma entidade biológica mantém sua própria individualidade.
O princípio da energia livre afirma que qualquer sistema auto-organizado parecerá gerar previsões sobre seu ambiente e buscará minimizar o erro dessas previsões. Para os organismos, isso significa em parte que eles estão constantemente medindo suas experiências sensoriais e perceptivas em relação às suas expectativas.
“Você pode literalmente interpretar o corpo de um organismo como um palpite sobre a estrutura do ambiente”, disse Ramstead. E, agindo de maneira a manter a integridade dessas expectativas ao longo do tempo, o organismo se define como um indivíduo separado de seus arredores.
Formas Fractais Antigas
A teoria da equipe de Santa Fe é atualmente “uma importante prova de princípio” – “um esquema organizacional [que pode] criar uma ordem razoável naquele oeste selvagem da biologia”, disse Laubichler. Mas os pesquisadores reconhecem que ainda não estão nem perto de criar algoritmos úteis que poderiam colocar esses conceitos em prática.
Ainda assim, alguns biólogos já estão encontrando suas próprias maneiras de colocar em uso abordagens informacionais da individualidade. Seu trabalho oferece uma amostra de como um dia as idéias teóricas adotadas por Krakauer, Flack e Ramstead podem ser aplicadas.
Jennifer Hoyal Cuthill, pesquisadora da Universidade de Essex, estuda os organismos que prosperaram durante o período ediacarano. “Para trabalhar com fósseis ou formas de vida desde tempos muito profundos, é quase o mais próximo que você pode chegar à exobiologia do planeta Terra”, disse ela. “Então, somos meio que confrontados com esse problema prático de como você reconhece indivíduos?”
As soluções que ela e seus colegas desenvolveram estão relacionadas aos conceitos que Krakauer e Flack descreveram, disse ela – em particular, à ênfase dada à persistência da informação ao longo do tempo.
Veja o trabalho recente de Hoyal Cuthill sobre rangeomorfos, animais semelhantes a samambaias que podem atingir mais de um metro e oitenta de altura, com frondes fractais e fractais que irradiavam de uma haste central ligada ao fundo do mar. As análises iniciais freqüentemente agrupavam os rangeomorfos com canetas marinhas, uma classe mais familiar de invertebrados que se assemelham a canetas de pena. Como uma caneta marinha é na verdade um organismo colonial – um agregado de pólipos individuais com tentáculos -, os cientistas pensaram que os rangeomorfos também eram. Até cerca de dez anos atrás, isto é: pesquisadores mais tarde propuseram que um programa específico de crescimento poderia ter produzido a forma de rangeomorfos em indivíduos únicos.
Essa pesquisa pode ser pensada em termos de teoria da informação. Por exemplo, Hoyal Cuthill examina a forma fractal do animal, que reflete sua história de crescimento da mesma maneira que os anéis concêntricos no tronco de uma árvore registram seu crescimento. “Isso persistiu com o tempo; podemos ver seu passado retido dentro dele”, disse ela.
O histórico de crescimento também é um registro dos fluxos de informações no ambiente dos rangeomorfos, como informações sobre a difusão de carbono orgânico dissolvido na água do oceano ao seu redor. Ao estudar a persistência dessas informações, Hoyal Cuthill e seus colegas formularam hipóteses sobre como os rangeomorfos mudaram ao longo de suas vidas. O ambiente agiu como um andaime para o seu desenvolvimento, afetando significativamente seu tamanho e forma – embora o equilíbrio das forças internas e externas os deixe como organismos coerentes, em vez de colônias, pelas definições da equipe de Santa Fe. Aplicando a linguagem do artigo de Krakauer e Flack, “podemos ver os traços tanto da individualidade intrínseca quanto da organisação e da determinação ambiental, mesmo naqueles que provavelmente são alguns dos animais mais antigos conhecidos”, disse Hoyal Cuthill.
Tais tentativas de usar fluxos de informação, na teoria ou na prática, para esculpir a natureza em suas articulações são “o começo de esboçar idéias e conceitos que poderiam ser potencialmente fundamentais para novas áreas da biologia”, disse Hoyal Cuthill.
Laubichler concordou. “Para que as ciências da vida ou a biologia cresçam como disciplina científica”, disse ele, “é preciso fazer algo assim”.
Publicado em 18/07/2020 17h59
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