Teoria científica da evolução

Variação genética e taxa de evolução

Quanto mais variação genética existir em uma população, maior a oportunidade de a evolução ocorrer. À medida que o número de locais genéticos variáveis ​​aumenta e à medida que o número de alelos em cada local aumenta, aumenta a probabilidade de alguns alelos mudarem de frequência em detrimento de seus suplentes. O geneticista britânico RA Fisher demonstrou matematicamente uma correlação direta entre a quantidade de variação genética em uma população e a taxa de mudança evolutiva por seleção natural. Essa demonstração está incorporada em seu teorema fundamental da seleção natural (1930): "A taxa de aumento da aptidão de qualquer organismo a qualquer momento é igual à sua variação genética na aptidão na época".

Este teorema foi confirmado experimentalmente. Um estudo empregou diferentes linhagens de Drosophila serrata, uma espécie de vinagre que voa do leste da Austrália e da Nova Guiné. A evolução das moscas do vinagre pode ser investigada criando-as em “gaiolas populacionais” separadas e descobrindo como as populações mudam ao longo de muitas gerações. Populações experimentais foram montadas, com as moscas vivendo e se reproduzindo em seus microcosmos isolados. Populações de linhagem única foram estabelecidas a partir de moscas coletadas na Nova Guiné ou na Austrália; além disso, uma população mista foi constituída pelo cruzamento dessas duas linhagens de moscas. A população mista teve a maior variação genética inicial, pois começou com duas populações diferentes de linhagem única. Para incentivar a rápida mudança evolutiva, as populações foram manipuladas de modo que as moscas experimentaram intensa competição por comida e espaço. A adaptação ao ambiente experimental foi medida contando periodicamente o número de indivíduos nas populações.

Dois resultados merecem atenção. Primeiro, a população mista possuía, no final do experimento, mais moscas que as populações de linhagem única. Segundo, e mais relevante, o número de moscas aumentou mais rapidamente na população mista do que nas populações de linhagem única. A adaptação evolutiva ao meio ambiente ocorreu nos dois tipos de população; ambos foram capazes de manter números mais altos à medida que as gerações progrediam. Mas a taxa de evolução foi mais rápida no grupo misto do que nos grupos de linhagem única. A maior quantidade inicial de variação genética possibilitou uma taxa de evolução mais rápida.

Medindo a variabilidade genética

Como o potencial de evolução de uma população é determinado por sua variação genética, os evolucionistas estão interessados ​​em descobrir a extensão dessa variação nas populações naturais. É evidente que espécies de plantas e animais são heterogêneas de todos os tipos - nas cores das flores e nos hábitos de crescimento das plantas, por exemplo, ou nas formas das conchas e nos padrões de bandas dos caracóis. As diferenças são mais facilmente percebidas entre os seres humanos - nas características faciais, cor dos cabelos e da pele, altura e peso - mas essas diferenças morfológicas estão presentes em todos os grupos de organismos. Um problema com a variação morfológica é que não se sabe quanto é devido a fatores genéticos e quanto pode resultar de influências ambientais.

Criadores de animais e plantas selecionam para seus experimentos indivíduos ou sementes que se destacam nos atributos desejados - no teor de proteínas do milho (milho), por exemplo, ou na produção de leite das vacas. A seleção é repetida geração após geração. Se a população muda na direção favorecida pelo criador, fica claro que o estoque original possuía variação genética em relação à característica selecionada.

Os resultados da seleção artificial são impressionantes. A seleção para alto teor de óleo no milho aumentou o conteúdo de óleo de menos de 5% para mais de 19% em 76 gerações, enquanto a seleção para baixo teor de óleo reduziu para menos de 1%. Trinta anos de seleção para o aumento da produção de ovos em um bando de galinhas White Leghorn aumentaram a produção média anual de uma galinha de 125,6 para 249,6 ovos. A seleção artificial produziu infinitas variedades de raças de cães, gatos e cavalos. As plantas cultivadas para alimentação e fibras e os animais criados para alimentação e transporte são todos produtos de seleção artificial antiga ou moderna. Desde o final do século 20, os cientistas têm usado as técnicas da biologia molecular para modificar ou introduzir genes para as características desejadas em uma variedade de organismos, incluindo plantas e animais domésticos; esse campo ficou conhecido como engenharia genética ou tecnologia de DNA recombinante. Melhorias que no passado foram alcançadas após dezenas de gerações por seleção artificial agora podem ser realizadas de maneira muito mais eficaz e rápida (dentro de uma única geração) pela tecnologia genética molecular.

O sucesso da seleção artificial para praticamente todas as características e todos os organismos em que foi experimentada sugere que a variação genética é generalizada em todas as populações naturais. Mas os evolucionistas gostam de dar um passo adiante e obter estimativas quantitativas. Somente desde a década de 1960, com os avanços da biologia molecular, os geneticistas desenvolveram métodos para medir a extensão da variação genética em populações ou entre espécies de organismos. Esses métodos consistem essencialmente em coletar uma amostra de genes e descobrir quantas são variáveis ​​e qual é a variável de cada um. Uma maneira simples de medir a variabilidade de um locus genético é determinar qual proporção de indivíduos em uma população são heterozigotos nesse locus. Em um indivíduo heterozigoto, os dois genes para uma característica, um recebido da mãe e outro do pai, são diferentes. A proporção de heterozigotos na população é, portanto, a mesma que a probabilidade de dois genes retirados aleatoriamente do pool genético serem diferentes.

Técnicas para determinar a heterozigosidade têm sido usadas para investigar inúmeras espécies de plantas e animais. Tipicamente, insetos e outros invertebrados são mais variados geneticamente do que mamíferos e outros vertebrados, e as plantas criadas pelo cruzamento (cruzando com cepas relativamente não relacionadas) exibem mais variação do que aquelas criadas pela autopolinização. Mas a quantidade de variação genética é, de qualquer forma, surpreendente. Considere como exemplo os seres humanos, cujo nível de variação é aproximadamente o mesmo de outros mamíferos. O valor da heterozigosidade humana no nível das proteínas é declarado como H = 0,067, o que significa que um indivíduo é heterozigótico em 6,7% de seus genes, porque os dois genes em cada locus codificam proteínas ligeiramente diferentes. O genoma humano contém cerca de 20.000 a 25.000 genes. Isso significa que uma pessoa é heterozigótica em nada menos que 30.000 × 0,067 = 2.010 loci de genes. Um indivíduo heterozigoto em um locus (Aa) pode produzir dois tipos diferentes de células sexuais, ou gametas, uma com cada alelo (A e a); um indivíduo heterozigoto em dois locais (AaBb) pode produzir quatro tipos de gametas (AB, Ab, aB e ab); um indivíduo heterozigoto em n loci pode produzir 2 ⁿ gametas diferentes. Portanto, um indivíduo humano típico tem o potencial de produzir 2 ^2.010, ou aproximadamente 10 ⁶⁰⁵ (1 com 605 zeros a seguir), diferentes tipos de gametas. Esse número é muito maior que o número estimado de átomos no universo, cerca de 10 ⁸⁰.

É claro, então, que todas as células sexuais produzidas por um ser humano são geneticamente diferentes de todas as outras células sexuais e, portanto, que duas pessoas que já existiram ou que existam provavelmente serão geneticamente idênticas - com exceção de idênticas gêmeos, que se desenvolvem a partir de um único óvulo fertilizado. A mesma conclusão se aplica a todos os organismos que se reproduzem sexualmente; todo indivíduo representa uma configuração genética única que provavelmente nunca será repetida. Esse enorme reservatório de variação genética em populações naturais oferece oportunidades praticamente ilimitadas para mudanças evolutivas em resposta às restrições ambientais e às necessidades dos organismos.

A origem da variação genética: mutações

A vida se originou cerca de 3,5 bilhões de anos atrás, na forma de organismos primordiais que eram relativamente simples e muito pequenos. Todos os seres vivos evoluíram a partir desses primórdios humildes. Atualmente, existem mais de dois milhões de espécies conhecidas, que são amplamente diversificadas em tamanho, forma e modo de vida, bem como nas seqüências de DNA que contêm suas informações genéticas. O que produziu a variação genética generalizada nas populações naturais e as diferenças genéticas entre as espécies? Deve haver alguns meios evolutivos pelos quais as seqüências de DNA existentes são alteradas e novas sequências são incorporadas aos pools genéticos das espécies.

A informação codificada na sequência nucleotídica do DNA é, em regra, reproduzida fielmente durante a replicação, de modo que cada replicação resulta em duas moléculas de DNA idênticas entre si e com a molécula mãe. Mas a hereditariedade não é um processo perfeitamente conservador; caso contrário, a evolução não poderia ter ocorrido. Ocasionalmente, "erros" ou mutações ocorrem na molécula de DNA durante a replicação, de modo que as células-filhas diferem das células-mãe na sequência ou na quantidade de DNA. Uma mutação aparece pela primeira vez em uma única célula de um organismo, mas é transmitida a todas as células descendentes da primeira. As mutações podem ser classificadas em duas categorias - mutações genéticas ou pontuais, que afetam apenas alguns nucleotídeos dentro de um gene, e mutações cromossômicas, que alteram o número de cromossomos ou alteram o número ou o arranjo de genes em um cromossomo.