Quando Leonid Moroz, um neurocientista do Laboratório Whitney de Biociências Marinhas em Santo Agostinho, Flórida, começou a estudar geléias de pente, ele ficou intrigado. Ele sabia que as criaturas marinhas primitivas tinham células nervosas – responsáveis, entre outras coisas, por orquestrar o dardo de seus tentáculos e a batida de seus cílios iridescentes. Mas esses neurónios pareciam ser invisíveis. Os corantes que os cientistas normalmente usam para colorir e estudar essas células simplesmente não funcionavam. A anatomia neural dos geleias de pente era como nada mais que ele jamais tinha encontrado.
Após anos de estudo, ele acha que sabe o porquê. De acordo com a biologia evolutiva tradicional, os neurônios evoluíram apenas uma vez, centenas de milhões de anos atrás, provavelmente depois que as esponjas marinhas se ramificaram da árvore evolutiva. Mas Moroz pensa que isso aconteceu duas vezes – uma nos ancestrais das geleias de pente, que se dividiram ao mesmo tempo que as esponjas do mar, e outra nos animais que deram origem às medusas e a todos os animais subsequentes, incluindo nós. Ele cita como evidência o fato de que as geleias de pente têm um sistema neural relativamente estranho, empregando produtos químicos e arquitetura diferente da nossa. “Quando olhamos para o genoma e outras informações, vemos não só uma gramática diferente, mas um alfabeto diferente”, disse Moroz.
Quando Moroz propôs sua teoria, os biólogos evolutivos eram céticos. Os neurônios são o tipo celular mais complexo que existe, argumentaram os críticos, capazes de capturar informações, fazer cálculos e executar decisões. Por serem tão complicados, é improvável que tenham evoluído duas vezes.
Mas o novo suporte à idéia de Moroz vem de trabalhos genéticos recentes sugerindo que as geléias de pente são antigas – o primeiro grupo a ramificar-se da árvore genealógica dos animais. Se for verdade, isso reforçaria a chance deles terem evoluído neurônios por conta própria.
O debate tem gerado intenso interesse entre os biólogos evolutivos. O trabalho de Moroz não só coloca em questão as origens do cérebro e a história evolutiva dos animais. Ele também desafia a idéia profundamente arraigada de que a evolução progride constantemente para frente, acumulando complexidade ao longo do tempo.
A primeira divisão
Em algum lugar na vizinhança de 540 milhões de anos atrás, o oceano estava preparado para uma explosão de vida animal. O ancestral comum de todos os animais vagueou pelos mares, pronto para diversificar na rica panóplia de fauna que vemos hoje.
Os cientistas há muito assumiram que as esponjas foram as primeiras a ramificar-se do tronco principal da árvore genealógica dos animais. São uma das classes mais simples de animais, sem estruturas especializadas, como nervos ou um sistema digestivo. A maioria depende do fluxo de água ambiente para recolher os alimentos e remover os resíduos.
Later, como geralmente se acredita, o resto da linhagem animal divide-se em geleias de pente, também conhecidas como ctenóforos (pronuncia-se TEN-oh-fours); cnidários (medusas, corais e anémonas); animais multicelulares muito simples chamados placozoa; e eventualmente bilaterianos, o ramo que levou aos insectos, humanos e tudo o que está entre eles.
Mas ordenar a ordem exata na qual os primeiros galhos de animais se dividiram tem sido um problema notoriamente espinhoso. Temos pouca noção de como eram os animais há tantos milhões de anos, porque seus corpos macios deixaram poucas evidências tangíveis nas rochas. “O registro fóssil é manchado”, disse Linda Holland, uma bióloga evolutiva do Scripps Institution of Oceanography da Universidade da Califórnia, San Diego.
Para compensar a nossa incapacidade de ver o passado, os cientistas usam a morfologia (estrutura) e genética dos animais vivos para tentar reconstruir as relações dos antigos. Mas no caso das geleias de pente, o estudo dos animais vivos apresenta sérios desafios.
Sabe-se pouco sobre a biologia básica das geleias de pente. Os animais são incrivelmente frágeis, muitas vezes caindo aos pedaços quando são pegos em uma rede. E é difícil criá-los em cativeiro, tornando quase impossível fazer os experimentos de rotina que os cientistas poderiam realizar com outros animais.
Por um longo tempo pensou-se que as geleias de pente eram intimamente relacionadas com as medusas. Com seus planos corporais simétricos e maquiagem gelatinosa, as duas espécies se parecem exteriormente uma com a outra. No entanto, os animais nadam e caçam de forma diferente – as medusas têm tentáculos que picam, enquanto as geleias de pente têm pegajosas. E ao nível do genoma, as geleias de pente são mais próximas de esponjas, que não têm sistema nervoso.
Em geleias de pente ou em qualquer outro animal, uma análise evolutiva que depende da morfologia pode levar a uma árvore evolutiva, enquanto que uma que usa dados genómicos, ou mesmo diferentes tipos de dados genómicos, pode levar a outra. As discrepâncias frequentemente provocam um debate acalorado no campo.
Um tal debate surgiu em 2008, quando Mark Martindale, agora diretor do Laboratório Whitney, Gonzalo Giribet, biólogo evolucionário da Universidade de Harvard, e colaboradores publicaram um estudo que analisou seqüências genéticas de 29 animais diferentes. Depois de considerar os dados genéticos, os pesquisadores propuseram uma série de mudanças na árvore animal.
De longe a mais controversa dessas mudanças foi a sugestão de que os ctenóforos deveriam substituir as esponjas como o ramo mais antigo dos animais. Se a evolução aumenta a complexidade com o tempo, como os biólogos tradicionalmente acreditam, então um organismo aparentemente simples como a esponja deve ser anterior a um organismo aparentemente mais complexo como a geleia de pente. Os dados genéticos de Martindale e Giribet sugeriam o contrário, mas os críticos eram duvidosos. “Fomos praticamente ridicularizados por toda a comunidade científica”, disse Martindale.
Martindale e seus colaboradores precisavam reunir mais evidências para sua proposta. Eles convenceram os Institutos Nacionais de Saúde a sequenciar o genoma de uma geleia de pente, a noz do mar, que foi publicada na Science em 2013. Moroz e seus colaboradores publicaram um segundo genoma ctenóforo, a groselha do mar, na Natureza, em 2014. Ambos os trabalhos, que empregaram dados mais extensos e métodos de análise mais sofisticados do que o esforço de 2008, apoiam a árvore ctenóforo – primeira árvore. Um terceiro artigo analisando dados de genoma disponíveis publicamente e postados no servidor de pré-impressão biorxiv.org no início deste ano também apóia a idéia de pentear geleias ramificadas primeiro.
Tendo em vista as novas evidências, os cientistas estão começando a levar a idéia a sério, embora muitos no campo digam que não há dados suficientes para fazer fortes reivindicações. Este ponto de vista tem sido refletido em uma enxurrada de artigos de revisão publicados no último ano, muitos dos quais afirmam que as geleias de pente não são realmente o ramo mais antigo; elas apenas parecem ser.
As geleias de pente evoluíram mais rapidamente do que os outros grupos de animais antigos, o que significa que suas sequências genéticas mudaram rapidamente ao longo do tempo. Isto, por sua vez, significa que a análise genética do seu lugar na árvore evolutiva poderia estar sujeita a um artefato computacional chamado “atração de ramo longo”, uma espécie de falha que pode puxar organismos em rápida evolução para a base da árvore. “Grupos de animais de ramos longos são muitas vezes difíceis de colocar”, disse Detlev Arendt, um biólogo evolucionista do Laboratório Europeu de Biologia Molecular, na Alemanha. “Até agora, os dados filogenéticos não são realmente conclusivos sobre onde pertencem”
Os cientistas esperam que mais dados – incluindo genomas de outras espécies de ctenóforos – ajudem a resolver os ramos mais profundos da árvore animal. E isso, por sua vez, pode ter implicações profundas para a nossa compreensão dos neurónios e de onde eles vieram. “A ordem dos ramos tem uma grande influência na forma como interpretamos a evolução do sistema nervoso”, disse Gáspár Jékely, um biólogo do Instituto Max Planck de Biologia do Desenvolvimento na Alemanha.
De facto, mesmo aqueles que concordam que as geleias de pentear vieram primeiro discordam sobre a questão de como surgiram os neurónios.
A Centelha do Pensamento
A criação dos neurónios foi um acontecimento notável na evolução animal. Estas células podem se comunicar – recebendo, transmitindo e processando informações usando uma linguagem química e elétrica precisa. O seu poder deriva da complexa rede que eles criam. “Um único neurônio é como o som de uma mão batendo palmas”, disse Martindale. “A idéia é que você junte um monte deles e eles podem fazer coisas que algumas poucas células únicas não podem”
Este nível de complexidade requer uma confluência improvável de eventos evolutivos. Devem surgir mecanismos que não só conectem fisicamente as células, mas permitam a elas transmitir e interpretar sinais. “A razão pela qual a maioria das pessoas não acha que poderiam ter evoluído várias vezes é a idéia de que os neurônios falam – especificamente com outros neurônios”, disse Martindale.
É isso que faz a proposta de Moroz – que os neurônios evoluíram duas vezes, uma em geléias de pente e outra em outros animais – tão controversa.
De acordo com a versão de Moroz da árvore evolucionária, os animais começaram com um ancestral comum que não tinha neurônios. As geleias de pente, em seguida, se separaram e passaram a desenvolver sua estranha marca de neurônios. Depois disso, os antepassados das esponjas e placozoans ramificaram-se. Como os seus antepassados, eles não tinham neurónios. Neurônios rudimentares, ou protoneurônios, então evoluíram por uma segunda vez nos ancestrais das medusas e bilatarianos, formando a base do sistema nervoso encontrado em todos os descendentes subseqüentes, incluindo humanos. “Na minha opinião, é mais simples e mais realista que o ancestral comum não tivesse sistema nervoso”, disse Moroz. (Ele acha que mesmo que as geleias de pente se separem depois das esponjas, elas ainda assim evoluíram os neurônios independentemente.)
Mas alguns cientistas que acreditam que os ctenóforos ramificaram primeiro pintam um quadro diferente. Eles sugerem que o ancestral comum a todos os animais tinha um sistema nervoso simples, que as esponjas subsequentemente perderam. As geleias de pente e o ramo restante, que inclui os nossos antepassados, os bilaterianos, construídos sobre esses protoneurões de maneiras diferentes, desenvolvendo sistemas nervosos cada vez mais sofisticados.
“A primeira idéia dos ctenóforos, se correta, sugere algo realmente interessante acontecendo”, disse Christopher Lowe, biólogo da Hopkins Marine Station da Universidade de Stanford. “Ambas as interpretações são profundas.” Por um lado, duas origens independentes de neurônios seriam surpreendentes porque parece improvável que a seqüência precisa dos acidentes genéticos que criaram os neurônios pudesse acontecer mais de uma vez. Mas também parece improvável que as esponjas percam algo tão valioso como um neurônio. “O único exemplo que conhecemos dos bilaterianos onde o sistema nervoso foi completamente perdido está nos parasitas”, disse Lowe.
As duas possibilidades refletem um enigma clássico para os biólogos evolutivos. “Este animal perdeu alguma coisa ou não o tem para começar?” Holland disse. Neste caso particular, “acho difícil tomar uma posição”, disse ela.
Avolução está repleta de exemplos tanto de perda como de evolução paralela. Alguns vermes e outros animais derramaram moléculas reguladoras ou genes de desenvolvimento empregados pelo resto do reino animal. “Não é sem precedentes que importantes complementos de genes sejam perdidos em grandes linhagens animais”, disse Lowe. A evolução convergente, na qual a seleção natural produz duas estruturas similares independentemente, é bastante comum na natureza. A retina, por exemplo, evoluiu independentemente várias vezes. “Animais diferentes às vezes usam conjuntos de ferramentas extremamente diferentes para fazer neurônios, circuitos e cérebros morfologicamente semelhantes”, disse Moroz. “Todos aceitam o caso dos olhos, mas eles pensam que o cérebro ou neurônio só aconteceu uma vez”
A principal evidência de Moroz para uma origem independente de neurônios em geléias de pente vem de seus sistemas nervosos incomuns. “O sistema nervoso do ctenóforo é dramaticamente diferente de qualquer outro sistema nervoso”, disse Andrea Kohn, uma bióloga molecular que trabalha com Moroz. As geleias de pentear parecem carecer dos mensageiros químicos comumente usados que outros animais têm, como serotonina, dopamina e acetilcolina. (Eles usam glutamato, uma molécula simples que desempenha um papel importante na sinalização neuronal em animais). Em vez disso, eles têm genes que são previstos para produzir uma série de peptídeos neurais, pequenas proteínas que também podem agir como mensageiros químicos. “Nenhum outro animal, exceto neste filo, tem algo parecido”, disse Kohn.
Mas os críticos também questionam esta afirmação. Talvez as geleias de pentear realmente têm os genes para serotonina e outras moléculas de sinalização neural, mas esses genes evoluíram além do reconhecimento, disse Arendt. “Poderia apenas significar que são altamente especializados”, disse ele.
Os cientistas de todos os lados do debate dizem que só pode ser respondido com mais dados, e, mais importante, um melhor entendimento da biologia das geleias de pente. Embora eles compartilhem alguns genes com organismos modelo, como ratos e moscas da fruta, não está claro o que esses genes fazem nas geleias de pente. Nem os cientistas entendem sua biologia celular básica, como os neurônios gelatinosos em pente.
Mas o debate em curso tem despertado o interesse nos ctenóforos, e mais pesquisadores estão estudando seus sistemas nervosos, desenvolvimento e genes. “Moroz e colaboradores têm brilhado a luz nesta parte da árvore, o que é uma coisa boa”, disse Holland. “Não devemos ignorar aqueles caras lá embaixo”
Correção em 26 de março de 2015: Uma legenda original descrevendo duas geleias de pente inverteu as suas posições. A groselha do mar está à esquerda, a geleia de pente de lóbulos à direita.
Este artigo foi reimpresso em BusinessInsider.com.