Notícias: Sondando os limites do “resgate evolucionário”

Anais da Academia Nacional de Ciências em Proceedings of the National Academy of Sciences Seguir 10 de jul · 12 min ler

Amy McDermott

As espécies ameaçadas pela mudança climática e outros estresses poderiam evitar a extinção através da rápida evolução?

No espaço de cinco anos, os grilos de campo de Kauai ficaram em silêncio. A quietude foi ensurdecedora para a bióloga evolutiva Marlene Zuk, que passou uma década arrastando-se pelos terrenos baldios e gramados da igreja no Havaí, coletando os insetos para sua pesquisa na Universidade da Califórnia, em Riverside. Quando ela começou seu trabalho, Zuk se lembrava de machos como sempre cantando. Mas a partir dos anos 90, ela viu e ouviu menos grilos. Parecia que a população de Kauai havia despencado de um penhasco ecológico em direção à extinção.

O “resgate evolucionário” pode efetivamente trazer de volta algumas espécies à beira da extinção. Há evidências de que a evolução pode, às vezes, ser surpreendentemente rápida, como no caso da interação entre cricket e fly em Kauai, HI. Crédito da imagem: Norman Lee (Faculdade St. Olaf, Northfield, MN).

Um culpado óbvio, pensou Zuk, era uma pequena mosca parasitóide com audição notável ( 1 ). Moscas fêmeas usam suas orelhas bem afinadas para localizar um grilo masculino cantando na grama e soltando suas larvas nas costas. As larvas roçam sua carapaça e comem suas partes moles, explodindo em pupas no solo cerca de uma semana depois. O drama do grilo e da mosca desdobrou-se todas as noites nos pátios da frente e nos gramados dos hotéis do paraíso havaiano, forçando uma grande troca de grilos masculinos: cantam para o sexo e cortejam uma morte horripilante.

No início dos anos 2000, Zuk praticamente parou de ouvir grilos em Kauai. As margens de estradas que ela freqüentava para coletar insetos não mais tocavam com o distintivo chilrear dos machos. Uma noite, em 2003, ela abriu a porta do carro para silenciar em seu campo. "Eu pensei 'é isso, mas você pode sair do carro'", lembra Zuk. Ela saiu, clicou em sua lanterna, "e de repente eu comecei a ver todos esses grilos".

"Se você não é uma pessoa de críquete, não apreciará totalmente a dissonância cognitiva que isso gera", diz Zuk enfaticamente. O chilrear é um sinal sexual de críquete. Perder significa que os machos não devem ser capazes de atrair fêmeas ou ter descendentes. No entanto, aqui estava Zuk, vendo grilos e não ouvindo nada. "Era como, que diabos", diz ela. Em uma inspeção mais próxima, os machos de Kauai ainda esfregavam suas asas juntas. Os grilos estavam tentando cantar; suas asas pararam de fazer barulho.

O silêncio acabou por ser genético ( 2 ). Uma mutação em um único gene ligado ao sexo alterou o desenvolvimento das asas de alguns grilos machos, descobriu o grupo de pesquisa de Zuk. Em vez de cultivar o arquivo áspero e as estruturas semelhantes a raspadores, os machos geralmente se esfregam para cantar, suas asas se tornam suaves e silenciosas. Normalmente, esses machos de asas planas enfrentam terríveis chances de reprodução porque as fêmeas encontram machos localizando suas chamadas. Mas com uma graciosa caça aos pássaros cantando grilos, os machos silenciosos eram muito menos propensos a serem comidos de dentro para fora. Parecia que sua mutação favorável havia resgatado a população, à medida que seus genes se espalhavam.

O caso dos grilos quietos oferece uma pergunta intrigante: a evolução pode agir rápido o suficiente para salvar uma população que está mergulhando em direção à extinção sob a pressão da mudança ambiental? Os pesquisadores estão cada vez mais considerando a possibilidade de recuperação em pelo menos algumas espécies, um conceito chamado de resgate evolucionário. A mutação silenciosa dos grilos poderia ser um exemplo. Ele se espalhou como fogo porque ficar em silêncio conferiu uma grande vantagem.

E ainda assim, detectar resgate evolutivo em populações selvagens ainda é difícil de fazer com alguma certeza. Outros fatores também podem resgatar populações, como mudar o comportamento ou mudar para um novo habitat. Ainda assim, entender quando a evolução pode deter e reverter o declínio da população tem implicações importantes para o campo – e para o futuro das políticas de conservação da vida selvagem.

Os grilos de campo masculinos normais ( A ) usam uma estrutura de arquivo semelhante a um pente para chilrar. Parece uma fina faixa branca ( a , direita ). Os machos silenciosos ( B ) têm um arquivo muito reduzido ( c , Direita ), então suas asas parecem semelhantes às fêmeas. Mesmo que os machos silenciosos esfregam as asas juntos, eles não podem cantar. Republicado com permissão da Royal Society, da ref. 13; permissão transmitida através do Copyright Clearance Center, Inc.

Da teoria à prática

O gráfico clássico em resgate evolucionário é uma curva em forma de U representando uma população mudando de tamanho ao longo do tempo após uma mudança abrupta no ambiente. Primeiro, a população despenca, depois se retrai e finalmente se recupera ao desenvolver uma característica que lhe permite persistir. A primeira dessas curvas para o resgate evolucionário apareceu em um artigo de 1995 do geneticista teórico da população Richard Gomulkiewicz e do ecologista teórico e biólogo evolucionista Robert Holt ( 3 ). Por que algumas populações sobrevivem à mudança ambiental, os dois homens perguntaram, enquanto outros não? Quando a evolução intervém?

Combinando equações fundamentais da biologia populacional e da genética, Gomulkiewicz e Holt calcularam que uma população era mais propensa a obedecer a sua curva U e persistir quando era inicialmente grande, com um conjunto diversificado de genes para a seleção natural atuar. E não poderia ser extinto tão rápido que a evolução não tivesse tempo de chutar ou cair abaixo de um tamanho populacional criticamente baixo. Uma suposição chave: a população é fechada, o que significa que nenhum indivíduo está migrando para dentro ou para fora. Em resgate evolucionário, como foi definido em 1995, a seleção natural atua no conjunto de genes já presentes na população.

Depois dos primeiros trabalhos de Gomulkiewicz e Holt, o campo amadureceu lentamente. "O resgate evolucionário foi uma idéia dos anos 90 que se instalou na literatura sem decolar por um bom tempo", diz o ecologista Andrew Gonzalez, da McGill University e do Quebec Centre for Biodiversity Science, em Montreal. Ele e seu colega Graham Bell foram os primeiros a demonstrar o resgate evolucionário em laboratório usando levedura. Bell e Gonzalez montaram centenas de populações de leveduras de cerveja de tamanhos variados e as estressaram com sal ( 4 ). Populações maiores são mais prontamente adaptadas, eles descobriram, seguindo a previsão da curva em U de Gomulkiewicz e Holt.

Mas havia advertências importantes. A seleção natural de genes existentes não é a única maneira de salvar uma população. Novos indivíduos podem migrar para uma população em declínio e evitar que diminuam ainda mais aparecendo, mesmo se não se reproduzirem (um fenômeno conhecido como resgate ecológico ou demográfico), ou podem trazer genes benéficos (resgate genético) por meio de reprodução . O resgate genético também pode acontecer se o novo material genético chegar pelo vento, água ou outros meios – pense que o pólen flutua no ar ( 5 ?7 ). Na maioria das vezes, os dois conceitos andam de mãos dadas, explica a ecologista evolutiva Ruth Hufbauer. Novos indivíduos migram para uma população e depois se reproduzem, facilitando o fluxo gênico e, às vezes, o resgate genético.

Hufbauer brincou com os três tipos de resgate em experimentos com besouros de farinha vermelha em seu laboratório na Colorado State University em Fort Collins ( 8 ). Pequenos habitantes de silos de grãos, os besouros vivem suas vidas imersas em farinha de trigo: eles comem, vivem e se reproduzem nela. Hufbauer criou centenas de populações de besouros em farinha de trigo enriquecida com levedura nutritiva e depois as despejou em caixas plásticas transparentes com farinha de milho e uma porcentagem menor de levedura, um ambiente menos nutritivo. Se os besouros não se adaptassem à nova refeição, eles morreriam. Então Hufbauer os encorajou a sobreviver. Para simular o resgate demográfico, ela acrescentou besouros extras do mesmo estoque para algumas das populações. Para outras populações, ela trocou apenas um besouro por um indivíduo com um histórico genético diferente, simulando resgate genético. Às vezes ela fazia as duas coisas. Às vezes ela não fez nada: suas populações de controle não receberam nenhuma ajuda extra. Se eles sobrevivessem, seria através do resgate evolucionário.

Depois de seis gerações no milho, tanto no grupo experimental como no controle, algumas populações evoluíram e se recuperaram. Seus corpos ficaram menores e provavelmente usariam menos recursos em um ambiente pobre em recursos. Populações resgatadas geneticamente – aquelas com genes extras de um besouro – tinham os maiores tamanhos de população no final do experimento, em comparação com as populações demográficas de resgate e controle. Mas, surpreendentemente, diz Hufbauer, até mesmo algumas das populações de controle sobreviveram. “Nós esperávamos muito”, diz ela, “que eles realmente fossem extintos”, mas eles “foram capazes de se adaptar e se resgatar, essencialmente”. A seleção natural agiu nos genes existentes dos besouros, ao que parece, produzindo o mesmo curva prevista em 1995. Foi a assinatura reveladora do resgate evolutivo.

Nos últimos 25 anos, estudos como este fizeram um resgate evolucionário do domínio puramente teórico para experimentos com populações reais de organismos multicelulares. "Agora as pessoas confiam que não é só no cérebro dos matemáticos e nas placas de Petri", diz Gonzalez. Mas fazer o salto de leveduras e besouros no laboratório para organismos na natureza tem sido muito mais difícil, os pesquisadores reconhecem. Até mesmo trabalhar com pequenos bichos de laboratório significa monitorar centenas de populações replicadas que evoluem ao longo de gerações – uma proeza de rastreamento que é muito mais difícil nos arbustos. O que a evolução rápida realmente pode fazer para evitar a extinção na natureza ?, pergunta Gonzalez? "Isso acaba sendo uma questão de enorme valor aplicado".

Flexibilidade Adaptativa

O resgate favorece as criaturas menores, facilmente negligenciadas. Organismos que pululam em grande número, se reproduzem rapidamente e têm muitos jovens, sugerem os estudos, têm maior probabilidade de evoluir para sair da extinção. Novos estudos de campo sugerem o resgate evolucionário em populações selvagens de ratos, coelhos, fitoplâncton e peixinhos chamados killifish do Atlântico ( 9 ?11 ). Um estudo de 2016, por exemplo, descobriu que populações killifish de estuários urbanos imundos toleram concentrações químicas industriais centenas a milhares de vezes mais altas do que populações de locais mais limpos, graças à rápida seleção em um punhado de genes ( 12 ). Esses exemplos sugerem que o resgate evolucionário pode ser relevante para o mundo real – e que a evolução pode ocasionalmente funcionar rápido o suficiente em ambientes que estão sendo rapidamente degradados pelas pessoas.

Mas casos difíceis são difíceis de verificar. Pegue os grilos de campo de Kauai. Mesmo um caso tão sugestivo – com uma mutação identificada, que é benéfica e generalizada – não é um resgate definitivamente evolutivo. Grilos e moscas também coexistem em outras ilhas havaianas, onde os machos de planas são muito mais raros, sugerindo que a população de Kauai pode não ter precisado da mutação para evitar a extinção. Se os grilos não fossem para o esquecimento, então seu rebote não se qualificaria como resgate. "Sempre há alguma incerteza", diz Gonzalez.

As populações do mundo real não vivem no isolamento de uma placa de Petri, e a adaptação evolutiva não é sua única ferramenta para lidar com a mudança ambiental. Novos comportamentos e migrações também podem ajudar a população a sobreviver a situações estressantes.

No caso do críquete, parece que uma combinação de mudanças genéticas ao longo do tempo em toda a população, bem como o comportamento, ajudaram suas populações a se recuperarem. Um macho silencioso pode estar a salvo da mosca, mas ficar quieto apresenta desafios de acasalamento. "Como uma mulher encontra você?", Diz Zuk, que agora está na Universidade de Minnesota, em St. Paul. “E mesmo que ela encontre você, o que vai fazer seu companheiro sem uma música?” Um comportamento dos machos silenciosos pode ter sido fundamental. Eles ficam pendurados ao redor dos poucos homens cantando na grama e interceptam as fêmeas da mesma maneira. Todos os grilos às vezes executam esse chamado comportamento de satélites, diz Zuk, mas “parece ser mais pronunciado em lugares com as asas planas”. Zuk acredita que a mutação encontrou um suporte por causa do comportamento de satélite ( 13 ). A evolução sozinha não salvou os grilos; comportamento ajudou-o.

Esse tipo de flexibilidade comportamental em um ambiente em mudança é um exemplo de plasticidade fenotípica – a capacidade de exibir características diferentes sob diferentes circunstâncias. Pode parecer muito com evolução, mas não é. As formigas do gênero Pheidole , por exemplo, carregam genes para cabeças e corpos enormes, que a maioria das espécies normalmente não expressa. Os genes podem ser expressos, no entanto, em larvas expostas a um hormônio juvenil, de acordo com um estudo de 2012 na Science ( 14 ). As formigas nascidas após a exposição ao hormônio se transformam em adultos super-soldados com cabeças enormes. Mas as formigas não estão evoluindo. Genes de cabeça enorme já existiam na população, dormindo no genoma.

A adaptação – tornando-se mais adequada ao meio ambiente – pode acontecer pela evolução (como na mudança genética ao longo do tempo) ou pela alteração da expressão gênica, de modo que o mesmo genótipo mostre um novo fenótipo (como nas formigas). Uma razão pela qual casos selvagens de resgate evolucionário são tão difíceis de provar, diz Gonzalez, é porque a plasticidade fenotípica e a adaptação evolutiva podem parecer tão semelhantes. A plasticidade pura, como no caso das formigas, não é o resgate. Mas quando a plasticidade e a mudança genética são combinadas, como nos grilos, o resgate evolucionário pode ocorrer. O caso de Zuk parece ser uma rápida evolução possibilitada pela plasticidade fenotípica; o gene da asa silenciosa não teria se espalhado sem uma maneira de machos e fêmeas se encontrarem e se acasalarem.

Populações mistas, como no caso das lebres de neve, provavelmente oferecem as melhores chances de resgate evolucionário, argumenta o biólogo da vida selvagem Scott Mills, porque elas têm a matéria-prima mais genética para a seleção natural agir. Crédito da imagem: Scott Mills (Universidade de Montana, Missoula, MT).

Um aliado natural

Então, o que a evolução rápida pode realmente fazer na natureza e quais são seus limites? Scott Mills riu dessa pergunta, ao telefone, de seu escritório na Universidade de Montana, em Missoula. "É isso", diz ele. "Nós não sabemos." Mills e outros biólogos da vida selvagem querem fazer da evolução um aliado na corrida para conservar espécies em extinção. As montanhas de inverno de Montana lhes dão uma vantagem única para perguntar como.

Nas encostas de uma colina, uma longa lista de predadores se alimenta de lebres com raquetes de neve – “a barra de chocolate da floresta”, diz Mills. A camuflagem é a melhor defesa da lebre. Os animais misturam-se com a paisagem cultivando um pêlo marrom na primavera, que fica branco como a neve quando os dias ficam mais curtos no outono. Mas como o clima de Montana muda, a neve está caindo mais tarde, e derretendo no início da temporada, deixando as lebres incompatíveis com seu ambiente e muito visíveis para os predadores. A expectativa é que o Snowpack diminua cerca de 40 a 69 dias no oeste de Montana neste século ( 15 ). "Animais brancos em solo marrom se destacam", diz Mills. "Nossas lebres em Montana são derrotadas em semanas, quando são brancas em um fundo marrom."

Lebres incompatíveis não conseguem acompanhar o ritmo dos invernos mais quentes e da diminuição da neve, porque o gatilho para a muda e para o galpão não é a temperatura; é a duração do dia. Mills descobriu que as lebres não têm muita plasticidade fenotípica para mudar suas camadas, substituindo a duração do dia por outra sugestão sazonal. "Então, temos que perguntar", diz ele, "existe a possibilidade de se adaptar rápido o suficiente, através da seleção natural?"

A resposta é: talvez. Nas regiões mais ao sul da lebre de raquetes de neve, como a orla costeira de Oregon e Washington, a neve é imprevisível e raramente adere. Lebres lá mantêm um casaco marrom durante todo o ano, mudando e derramando de marrom para marrom. Um único gene é responsável, que veio do acasalamento com coelhos-de-rabo-preto e se espalhou por meio de populações de lebre com raquetes de neve vivendo em condições de neve baixa, informou Mills em junho passado ( 16 ).

Ligações com outras espécies podem acelerar a evolução, mas a menos que coincidam com declínios populacionais

"A promessa de resgate evolucionário é que talvez alguma fração se recupere, talvez haja alguma esperança".

–Andrew Gonzalez

e mudança ambiental de alta velocidade, eles não se qualificam como resgate. Neste caso, os casacos marrons de inverno provavelmente se espalharam pelas lebres do noroeste do Pacífico entre 3.000 e 15.000 anos atrás, então é difícil dizer se ele iniciou ou não o resgate nessas populações. Mas o gene marrom adaptativo mostrou que o clima pode moldar a cor da pelagem. "Muitas características não são definitivamente moldadas pelo clima como esta", diz Mills. "Porque se você é incompatível é 100% determinado pela persistência média da neve."

Quando um traço moldado pelo clima ajudaria as espécies a sobreviver ao tipo de mudança rápida que Mills está vendo em Montana? Ele imaginou que as populações polimórficas – onde as lebres brancas e invernais do inverno coexistem – ofereceriam a mais rica paleta para a seleção natural atuar e, portanto, as mais altas chances de resgate evolucionário. Em outro artigo de 2018, Mills mostrou, usando dados de coleções de história natural, que populações polimórficas de lebres e outras espécies sazonais de mudança de revestimento surgem em todo o Hemisfério Norte ( 17 ). Em lugares como as Montanhas Cascade, em Washington, os dois morfos de cor de lebre saltam entre trechos de neve e imponentes cedros vermelhos. As lebres não estão ameaçadas, mas ilustram como a conservação pode abranger áreas polimórficas, como as Cascades, onde o resgate evolutivo é mais provável.

Embora Mills não esteja certo de que resgate possa acontecer neste caso, ele vê a história da lebre como uma metáfora para a comunidade conservacionista porque o resgate evolucionário é “em nenhum lugar no radar do design de reserva”. grandes populações são mais propensas a resgatar com uma extensão administrável de mudança ambiental. Estudos subseqüentes mostraram populações conectadas, com migração, fluxo gênico, e alguma história de estresse similar pode ser a mais provável de se adaptar e sobreviver. Mas como exatamente os humanos podem promover uma evolução rápida é a próxima pergunta não respondida, diz Mills – uma que “vai ao coração da resiliência climática para espécies selvagens”.

A forma como as reservas efetivas poderiam ser depende muito da taxa de mudança climática, acrescenta Gonzalez. Se a Terra vê 2 ° C ou 4 ° C de aquecimento e se isso é daqui a 50 anos ou 100 ou 200 decidirá quais populações são mesmo candidatas. Ursos polares e outros mamíferos carismáticos não são propensos a competir porque seus tempos de geração são longos. O resgate evolucionário leva de 10 a 100 gerações, diz ele, significando centenas de anos para grandes mamíferos. A mudança rápida irá ultrapassá-los antes do resgate. Criaturas mais criativas, como os insetos, são a melhor aposta. De fato, os grilos de campo de Kauai mudaram de chilrear para 90% de machos silenciosos em menos de 20 gerações, ou cerca de uma década. Mesmo assim, González ainda escolheria políticas que diminuam a mudança climática e mantenham as populações grandes e conectadas, diz ele, para "permitir que o resgate evolutivo seja uma possibilidade, mesmo que não seja provável".

A próxima fronteira para o campo pode ser estudada nos níveis da comunidade. Populações individuais são tecidas em comunidades, então, quando um grupo resgata, pode haver efeitos de dominó para as espécies com as quais ele interage, explica Gonzalez. Enfatizar ecossistemas inteiros – como pequenas lagoas cheias de bactérias, insetos aquáticos e peixes – e depois observar como a adaptação se desdobra (ou não) em múltiplos níveis tróficos poderia ajudar a esclarecer o papel do resgate evolutivo da comunidade no destino dos próprios ecossistemas.

Entender a rápida evolução pode não impedir muitas extinções, mas pode levar a políticas de conservação que maximizam o potencial de resgate. Considerando o quão sombria a história do impacto do homem sobre a vida selvagem pode ser, “a promessa de resgate evolucionário”, diz Gonzalez, “é que talvez alguma fração se recupere, talvez haja alguma esperança”.

Publicado sob a licença PNAS .