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Como os limites se tornam pontes na evolução
O próximo passo para os autores é estudar a origem dos mecanismos moleculares e de desenvolvimento que eles implicaram nos processos de amortecimento do estresse na evolução.
Por Universidade do Arizona - 11/08/2020


Penas cor de carotenóide de tentilhões domésticos (Haemorhous mexicanus). Crédito: Alex Badyaev

Há um paradoxo dentro da teoria da evolução: as formas de vida que existem hoje estão aqui porque foram capazes de mudar quando os ambientes anteriores desapareceram. Ainda assim, os organismos evoluem para se encaixar em nichos ambientais específicos.

"A especialização e a precisão cada vez maiores deveriam ser um beco sem saída evolutivo, mas não é o caso. Como a capacidade de se encaixar precisamente em um ambiente atual é reconciliada com a capacidade de mudar é a questão mais fundamental na biologia evolutiva", diz Alex Badyaev, professor de ecologia e biologia evolutiva da Universidade do Arizona.

Badyaev é coautor de um artigo publicado na Nature Communications que sugere uma explicação baseada na evolução de pigmentos coloridos em penas de pássaros na América do Norte. Ele escreveu o artigo com dois ex-alunos de pós-graduação - a autora principal Ahva Potticary, agora professora do UArizona, e Erin Morrison, agora professora assistente da Universidade de Nova York.

Existem duas soluções gerais possíveis, de acordo com Badyaev. Primeiro, os mecanismos que permitem que os organismos se adaptem bem ao ambiente atual e os mecanismos que permitem a mudança nas adaptações são distintos - os últimos são suprimidos à medida que os organismos se adaptam cada vez melhor ao ambiente atual e são ativados apenas quando o ambiente muda. A segunda é que os mecanismos que fazem os organismos se encaixarem nos ambientes atuais são modificados durante a evolução.

"Distinguir entre essas possibilidades é um desafio porque na biologia evolutiva nós necessariamente estudamos processos que ocorreram no passado, os eventos que perdemos", disse ele. "Então, em vez disso, inferimos o que perdemos nas comparações de espécies que existem hoje. Embora essa abordagem possa nos dizer quão bem os organismos atuais se adaptam ao ambiente atual, não pode nos dizer como eles chegaram aqui."

Em última análise, o primeiro cenário foi apoiado pelo trabalho dos pesquisadores. Os mecanismos que tornam os organismos locais adequados e os responsáveis ​​pela mudança são distintos e ocorrem sequencialmente na evolução.

Pistas carotenóides

Badyaev e sua equipe tiveram como objetivo observar diretamente a adaptação a novos ambientes em ação, prestando atenção especificamente aos mecanismos envolvidos. A oportunidade foi fornecida pelo tentilhão doméstico, uma ave onipresente do deserto de Sonora que ao longo do último século se espalhou pela maior parte da América do Norte e agora ocupa as maiores áreas ecológicas de qualquer espécie de ave viva.
 
Os pássaros se colorem comendo e integrando moléculas pigmentadas chamadas carotenóides em suas penas.

"Os carotenóides são moléculas grandes, e colocá-los nas penas em crescimento é um processo complicado, resultando em todos os tipos de modificações estruturais e aberrações nas penas", disse Badyaev. "Isso representa uma oportunidade única de estudar como os mecanismos de desenvolvimento bem caracterizados que produzem uma pena intrincada coevoluem com entradas externas imprevisíveis necessárias para colori-los."

Em penas onde a integridade estrutural é essencial, como em penas reguladoras de temperatura ou penas de voo, evoluem mecanismos que protegem o crescimento das penas a partir da incorporação de carotenóides. Por esta razão, as penas de voo ou penugem quase nunca são coloridas em nenhuma espécie de ave. No extremo oposto do espectro, as penas ornamentais se beneficiam de serem coloridas e desenvolver mecanismos que modificam sua estrutura para permitir uma maior incorporação de carotenóides e para melhorar sua apresentação.

Os autores tiraram proveito dessa diversidade e estudaram como esse conjunto de mecanismos - do amortecimento completo dos carotenóides até a sua adoção total - realmente evolui.

As fontes de pigmentos carotenóides diferem em toda a grande variedade de tentilhões. Em populações nativas do deserto, os tentilhões obtêm seus pigmentos do pólen e das frutas dos cactos, enquanto nas populações urbanas eles os obtêm de espécies de plantas e alimentadores de pássaros recém-introduzidos. Nas populações do norte, eles incorporam os pigmentos de sementes de grama, botões e bagas.

"Como esperado, em cada um desses locais os tentilhões desenvolveram adaptações precisas para incorporar diversos carotenóides locais em suas penas", disse Badyaev. Mas o aspecto único deste estudo é que "conhecíamos as rotas de colonização dessas aves, o que nos permitiu observar como elas modificam essas adaptações à medida que se deslocam de um local para o outro ao longo do último século."

Essa abordagem não apenas permitiu que a equipe estudasse diretamente o processo de evolução, mas também permitiu que estudassem a evolução repetida na natureza, porque as aves desenvolveram adaptações locais distintas em paralelo a partir de pontos de partida conhecidos conforme se espalharam pelo continente.

"Tivemos que reproduzir a fita da evolução dessa adaptação, em vez de deduzir o processo do resultado", disse Badyaev.

A equipe estabeleceu 45 populações de estudo ao longo das rotas de colonização que a espécie percorreu do sul do Arizona ao noroeste dos Estados Unidos. Eles também exploraram como as espécies mudam dentro de regiões, como entre as populações do deserto do Arizona e as populações urbanas no campus da Universidade do Arizona e em Tucson. Em todas essas populações, eles examinaram a estrutura microscópica e a composição completa dos carotenóides em milhares e milhares de amostras de penas . A escala e profundidade sem precedentes do estudo - considerado o maior de seu tipo em uma espécie de ave selvagem - levou a duas descobertas.

Em primeiro lugar, a evolução procedeu por sequências notavelmente semelhantes a partir de pontos de partida amplamente diversos. Carotenóides locais não familiares exerceram grandes modificações no desenvolvimento das penas no início, mas quanto mais pássaros persistiam em uma região e quanto mais familiarizados eles se tornavam com os carotenóides locais, melhor eles eram capazes de incorporá-los em suas penas, eventualmente desenvolvendo adaptações locais precisas.

Em segundo lugar, e mais importante, embora os carotenóides e suas misturas difiram fortemente entre locais tão distintos quanto desertos e florestas perenes do norte, os mecanismos por trás de sua incorporação em penas em crescimento eram notavelmente uniformes e não específicos para propriedades bioquímicas de compostos individuais de carotenóides . Em vez disso, em todas as populações, a evolução resultou de mudanças nos mecanismos que protegeram a adaptação local anterior de estressores externos. Esses mecanismos gerais de amortecimento do estresse - o que Badyaev chamou de "os guardiões das adaptações locais" - tiveram de ser recrutados para permitir a evolução de novas adaptações.

Em outras palavras, "os limites das adaptações atuais tornam-se pontes entre adaptações sucessivas na evolução", disse Badyaev.

O próximo passo para os autores é estudar a origem dos mecanismos moleculares e de desenvolvimento que eles implicaram nos processos de amortecimento do estresse na evolução.

 

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