Como a Poliploidia Molda a Evolução de Características em Organismos

Entender como novos traços aparecem nos organismos vivos é uma pergunta importante na biologia. Ao longo dos anos, os cientistas desenvolveram ideias sobre como os traços podem mudar nas populações. Eles usaram teorias e grandes estudos de dados para aprender sobre a evolução dos traços. Mas descobrir como surgem traços completamente novos é difícil porque isso muitas vezes envolve eventos raros que não acontecem muito.

Uma área de estudo importante foca em um tipo especial de bactéria chamada cianobactéria. Essas bactérias têm muitos formatos diferentes e podem ser encontradas em vários ambientes, como debaixo d'água ou no solo. Essa variedade sugere que elas podem ser melhores em desenvolver novos traços em comparação com outras bactérias. Uma diferença significativa entre Cianobactérias e outras bactérias é que muitas delas têm múltiplos conjuntos de cromossomos, uma condição conhecida como poliploidia. Curiosamente, enquanto muitas cianobactérias marinhas são fotossintéticas, geralmente elas têm apenas um conjunto de cromossomos e uma forma simples.

A poliploidia também é encontrada em alguns organismos unicelulares antigos que vivem em ambientes extremos. Embora não esteja claro por que esses organismos podem se adaptar a condições tão severas, a presença de bactérias poliploides pode influenciar como novos traços se formam. Enquanto algumas pesquisas investigaram como a poliploidia afeta as bactérias, houve menos foco em seu impacto na evolução como um todo.

Recentemente, os pesquisadores começaram a notar como a poliploidia pode ajudar na medicina. Algumas bactérias que não têm paredes celulares e são conhecidas por serem poliploides podem facilmente desenvolver resistência a vários medicamentos. Além disso, as células tumorais nos corpos humanos também podem se tornar grandes e poliploides quando estão sob estresse. Essas células, chamadas células gigantes de câncer poliploides, desempenham um papel em como os cânceres resistem a tratamentos e se espalham, o que volta à ideia de desenvolver novos traços.

Mas como a poliploidia realmente incentiva a formação de novos traços? Existem duas ideias conflitantes. Uma ideia sugere que ter muitas cópias de cromossomos pode diluir os efeitos das Mutações, tornando mais difícil para as mudanças aparecerem. De acordo com essa visão, a taxa de evolução deveria ser mais lenta em organismos com múltiplos conjuntos de cromossomos. No entanto, a outra ideia afirma que ter cópias extras de cromossomos oferece mais oportunidades para desenvolver novas funções, porque os genes extras podem assumir papéis diferentes.

Para explorar essas ideias, os pesquisadores desenvolveram um modelo simples representando como organismos poliploides evoluem. Eles descobriram que, sob certas condições, a taxa evolutiva de organismos poliploides poderia ser mais lenta do que a de organismos com apenas um conjunto de cromossomos. No entanto, em certos ambientes complexos onde os organismos precisam pular uma barreira desafiadora para sobreviver, ter mais conjuntos de cromossomos realmente aumentava as chances de desenvolver novos traços.

Os pesquisadores fizeram algumas suposições simples sobre como os traços funcionam. Eles analisaram como os traços dependiam da atividade de genes localizados nos cromossomos. Cada célula tinha várias cópias de cromossomos que carregavam genes semelhantes, mas ligeiramente diferentes. Eles também consideraram como os traços mudam ao longo do tempo, especialmente observando como diferentes modos de Herança - maneiras que os organismos transmitem seus cromossomos - poderiam afetar a evolução.

Dois modos principais de herança foram examinados. Em um modo, todos os cromossomos de uma célula mãe são passados exatamente para as células filhas. No outro modo, as células filhas recebem uma mistura aleatória de cromossomos da mãe, levando a algumas cópias de cromossomos sendo duplicadas enquanto outras podem não ser herdadas. Pesquisas sugerem que muitas bactérias herdaram cromossomos aleatoriamente.

Em seguida, eles investigaram como os diversos modos de herança influenciaram a evolução dos traços. Descobriram que, no primeiro modo, se uma célula tinha mais cromossomos, os efeitos das mutações poderiam ser diluídos, resultando em uma evolução mais lenta. Por outro lado, quando a herança aleatória estava em jogo, a presença de cromossomos duplicados poderia levar a maiores variações, acelerando a mudança evolutiva.

Para entender melhor isso, os pesquisadores examinaram como as células poderiam pular de um pico adaptativo para outro em uma paisagem de fitness teórica - uma representação de quão apto um organismo é dado seus traços. Esse salto é muitas vezes difícil porque pode exigir mudanças drásticas. Eles descobriram que, à medida que o número de cromossomos aumentava, as chances de um salto bem-sucedido aumentavam até um certo ponto, após o qual as chances começaram a cair.

Essencialmente, o modelo ilustrou que existe um número ótimo de cromossomos que oferece as melhores chances para evoluir novos traços. Esse número parece estar em uma faixa semelhante ao número de cromossomos encontrados em várias espécies de cianobactérias. Essa descoberta sugere que o número de cromossomos nessas bactérias pode ter evoluído para maximizar sua capacidade de adaptação.

Os pesquisadores também consideraram outras implicações mais amplas. Eles sugeriram que suas descobertas poderiam se aplicar a outros organismos, não apenas às cianobactérias. Por exemplo, células gigantes de câncer poliploides e certas bactérias que evoluíram resistência a medicamentos também poderiam se encaixar nesse modelo de como os traços mudam.

Além disso, a teoria deles pode ajudar a explicar casos em que organismos têm múltiplas cópias de determinado material genético, como plasmídeos. O número típico de plasmídeos nativos em certos organismos se alinha bem com o número ótimo de cromossomos determinado no estudo.

Os pesquisadores também ligaram seu trabalho a ideias sobre como os organismos podem se diversificar após eventos como duplicações de genoma inteiro. Eles teorizaram que os estágios iniciais da evolução após esses eventos podem mostrar padrões semelhantes aos encontrados em organismos poliploides.

Essa pesquisa oferece insights valiosos sobre como a composição genética dos organismos afeta sua capacidade de inovar. Embora o estudo tenha se concentrado na poliploidia, também estabelece uma base para futuras pesquisas que poderiam descobrir mecanismos por trás da adaptação em várias formas de vida. Com mais estudos planejados, os cientistas esperam desvendar os segredos evolutivos contidos nas interações complexas entre genes, traços e os ambientes em que os organismos vivem.