Contando dedos em aves e dinossauros
Olhando para minhas mãos contemplo uma das evidências de que nós, seres humanos, não somos o pináculo da evolução. Simplesmente não somos os seres 'mais evoluídos' que existem. Tanto pelo singelo fato de que a própria ideia de 'mais evoluído' não faz muito sentido em termos do que sabemos sobre evolução biológica, como por que, ao usarmos o que sabemos sobre biologia evolutiva, todo ser vivo é uma mistura de características 'primitivas' e 'derivadas', querendo dizer com isso somente que o primeiro tipo de características ('primitivas') se originaram primeiro, enquanto o segundo tipo ('derivadas') originaram-se depois, a partir de modificações das primeiras, 'derivando-se' delas.
De volta as mãos humanas, ao olharmos para elas com as palmas viradas para baixo e concentrarmos-nos em nossos cinco dedos, contando do polegar para o mínimo, estamos vendo o padrão ancestral do grupo de vertebrados ao qual pertencemos, os tetrápodes. O padrão pentadáctilo é considerado assim, tendo estado presente no nosso último ancestral comum com os demais grupos viventes* de vertebrados terrestres, mesmo que muitos deles tenham sofrido reduções, fusões e até mesmo a perda total dos membros. O que não foi o nosso caso, pois continuamos neste aspecto assemelhando-nos aos tetrápodes pentadáctilos ancestrais [veja 'Por que cinco dedos?'] e portanto neste sentido 'primitivos'. Os dedos dos vertebrados não são apenas um lembrete para que não nos deixemos levar pelo nosso ego inflado, mas também estão no centro de uma das discussões mais resistentes às tentativas de resolução da biologia comparativa: a identidade dos três dedos dos membros dianteiros (as asas) das aves.
De quais dedos do membro dianteiro pentadáctilo ancestral D1, D2, D3, D4 e D5 - do qual nossas mãos são um exemplo (polegar, indicador, médio, anelar e mínimo - que os três dedos remanescentes das aves são homólogos?
São eles equivalentes respectivamente ao polegar (1), indicador (2) e médio (3) ou seriam homólogos ao indicador (2), médio (3) e anelar (4)?
A polêmica vai além da ornitologia e da anatomia comparada das aves, pois nela repousa um dos poucos argumentos que ainda fazem (ou melhor dizendo, faziam) algum sentido contra a ideia, hoje altamente aceita e bem corroborada, de que as aves são, na realidade, um grupo de dinossauros terópodes maniraptores que sobreviveu a grande extinção cretáceo-paleogene [Veja aqui para maiores detalhes]. Normalmente se usaria o polegar como base da decisão, com sua estrutura típica de duas falanges, mas como nas aves existe redução e fusão é muito difícil determinar se os dedos mais internos seriam ou não equivalentes ao polegar. Tradicionalmente os anatomistas haviam decidido que sim, esse seria o caso.
Infelizmente, outra fonte de evidências mostra uma realidade bem diferente. Ao analisarmos o desenvolvimento dos membros e de suas regiões distais onde se desenvolvem os dedos um cenário bem diferente se revela. Em muitas espécies de aves, o desenvolvimento dos dedos começa pela formação de quatro ou cinco dedos condensações de tecido mesenquimático, algumas das quais simplesmente param de se desenvolver. Sabendo disso alguns anatomistas perceberam que uma das condensações descartadas era exatamente a primeira, portanto, os três dedos das aves seriam provenientes da segunda, terceira e quarta condensação, respectivamente, CII, CIII e CIV, e é isso que as modernas técnicas de rastreamento molecular parecem confirmar. As células P1 (Pa) que em tetrápodes pentadáctilo são origem ao D1 simplesmente regridem e não dão origem a nenhum dedo durante o desenvolvimento embrionário.
As evidências, portanto, estariam em franco contraste**, especialmente por que nas linhagens de dinossauros terópodes como o Deinonychus é clara a identidade dos três dedos como sendo D1, D2 e D3. Colocando dois campos o paleontológico e o neontológico, na forma da embriologia e moderna biologia do desenvolvimento, em contradição. Mas como os biólogos evolutivos Günter P. Wagner e Jacques A. Gauthier afirmam em artigo de 1998, quando nos deparamos com contradições que resistem as tentativas de resolução com ambos os lados bem apoiados por evidências empíricos podemos estar lidando com importantes questões científicas subjacentes que podem necessitar de novas abordagens que nos conduzirão a excitantes novas descobertas. O padrão básico de formação nos dedos nos tetrápodes inicia-se com uma extensão do membro que forma a condensação (C)IV que seria equivalente ao seu dedo anelar, formando o eixo metapterigial, para que em seguida se forme a CV que é equivalente ao dedo mínimo que surge como uma pequena protuberância ao longo do eixo metapterigial. Após isso um novo eixo se forma a partir d palma e a próxima condensação a se formar é a correspondente ao dedo médio (CIII), para então formara a CII (indicador), e, por fim, a do polegar (CI). A partir desse panorama fica fácil perceber que alguns dedos são mais fáceis de serem perdidos durante o desenvolvimento do que outros, com é o caso do mínimo, que é segundo a se formar, e especialmente o polegar que é o último a se formar, bastando para perdê-lo que o processo pare após o desenvolvimento de CII. Porém, o mais difícil de ser perdido seria o corresponde ao CIV, o primeiro a se formar a partir do qual se organiza o eixo principal de desenvolvimento da mão, sendo muito difícil de suprimi-lo sem impedir complemente a formação dos demais dedos. Essa é mais uma questão problemática por que aparentemente os dinossauros não tem o dedo IV, o mais complicado de ser perdido, mas possuem o polegar, o último a ser formar e o mais fácil de em tese ser perdido.
As evidências paleontológicas parecem apontar claramente para identidade do membro anterior tridáctilo dos terópodes maniraptores, o subgrupo a qual também pertencem as aves, como sendo correspondentes aos dedos D1, D2, e D3 principalmente por que a posição de um grupo chave dentro da filogenia dos terópodes, Herrerasaurus, está bem mesmo quando as características das mãos não são usadas na análise de reconstrução filogenética, portanto, indicando que não há um viés nesse sentido. Ao mesmo tempo graças estudos com galinhas e avestruzes em que vários métodos de rastreamento de linhagens celulares, envolvendo coloração histoquímica e análise de expressão de certos genes (Sox9), foram utilizados mostram que os três dedos das asas das asas surgem das condensações CII, CIII e CIV. A situação mais recentemente foi um pouco mais complicada e as análises de um grupo de dinossauros achado a pouco tempo indica que talvez os dedos desta linhagem correspondam aos D2, D3 e D4. Então, como podemos reconciliar essas informações com o que pode ser inferido pela filogenia dos dinossauros e vertebrados tetrápodes de maneira geral.
No ano passado dois grupos de cientistas, um da Universidade de Yale, nos EUA, e o outro da Universidade Tohoku, no Japão, conseguiram apresentar evidências complementares que apontam para a resolução do debate. Os resultados das duas análises foram publicadas respectivamente nas revistas Nature e Science e servem de confirmação parcial da hipótese levantada em 1999 no já mencionado artigo do PNAS de Wagner e Gauthier.
Os dois pesquisadores propuseram uma solução para este dilema baseando-se na ideia de que mudanças morfológicas podem depender de uma dissociação entre os processos de origem embriológica dos elementos repetitivos daqueles que, subsequentemente, especificam-nos e individualizam-os, tornando-os caracteres morfológicos completamente funcionais. Assim, existiriam dois processos diferentes em ação durante o desenvolvimento dos dedos dos vertebrados tetrápodes. O primeiro produz os primórdios dos dedos, criando a configuração numérica da linhagem e o segundo confere as identidades a cada um desses primórdios de dedos indiferenciados. A partir deste raciocínio os autores argumentam que, embora a evidência embriológica comparativa identifique corretamente a homologia das condensações primordiais em aves como sendo CII, CIII e CIV, a diferenciação anatômica posterior reflete uma mudança do marco des identidades do desenvolvimento das regiões de influência morfogenéticas, os 'Anlagen' aviários, correspondentes aos dedos. Isso resulta em 'deslize' dos padrões de expressão gênica e diferenciação celular que conferem a identidade os dedos de tal forma que se torna CII → DI , CIII → DII e CIV → DIII. Esta ideia ficou conhecida como 'mudança de marco homeótica', em que as condensações 2, 3 e 4 tenham passado a expressar genes em um padrão mais semelhante ao que se esperaria para os dedos 1, 2, 3.
Os dois grupos confirmaram parcialmente esta ideia a partir de abordagens distintas. A equipe de Wagner concentrou-se na análise do transcriptoma (i.e. dos padrões de expressão dos RNAs em um determinado tecido ou fase de desenvolvimento) nas regiões mais extremas dos brotos dos membros dianteiros e traseiros dos embriões de pintos. Ao analisarem esses dados, os cientistas constataram que o primeiro dedo das asas das aves, apesar de se originar na região onde deveria haver o dedo indicador (CII), do ponto de vista dos transcritos ali presentes assemelha-se mais a um polegar que apenas mudou seu território de expressão para o lado. Esses resultados são consistentes com os experimentos recentes do grupo japonês que conseguiram mostrar algo bem semelhante, isto é, que o dedo mais posterior na asa, não corresponde ao dedo anelar (D4) do membro traseiro; uma vez que o tecido progenitor dele segrega mais cedo da zona de polarização de atividade, colocando-o no domínio de especificação de dedo médio, ou seja, o dedo D3.
O grupo Japonês usou uma abordagem manipulativa experimental mais direta em que constatou que o dedo mais posterior dos membros anteriores, i.e. das asas, não correspondia ao dedo D4 nos membros posteriores, ou seja, das patas, com seu progenitor segregando mais cedo a partir da zona de polarização de atividade; o que segundo os pesquisadores o colocaria no domínio de especificação de identidade do dedo D3, ou seja, equivalente ao médio. Os autores então sugerem que uma mudança específica das aves desacoplou os primórdios teciduais ('anlagen') dos dedos dos mecanismos moleculares responsáveis pela sua individualização, resultando na imposição as identidades dos dedos, D1, D2 e D3 aos 'anlagen' II, III e IV e por isso os dedos das aves deveriam ser assim considerados.
Acima os círculos marcados com 'P' referem-se aos tecidos progenitores dos dedos e não aos dedos em si, mas sim aos 'módulos de células' que irão desenvolver-se nos dedos. São os 'anlagen' dos dedos. Em baixo em azul corresponde a ZPA ou 'Zona de atividade polarizante', um região de tecido mesenquimático que produz moléculas de sinalização como a Shh (Sonic HedgeHog) que ajudam na o desenvolvimento ao longo do eixo antero-posterior que funciona como um 'organizador' (a semelhança do 'organizador de Spemann e Mangold'). A proteína Shh atua como um morfógeno tradicional, uma molécula que se difunde estabelecendo um gradiente de concentração, provocando diferentes efeitos nas células que estão ao longo do gradiente formado a partir da ZPA. Os primórdios de dedos que desenvolvem-se na região de influência direta da ZPA assumirão as identidades dos dedos D5 e D4, enquanto os primórdios que se desenvolverem fora da ZPA assumirão as identidades D3, D2 e D1, com os dois primeiros sendo formados a partir do gradiente de expressão de Shh enquanto D1 forma-se fora da região de ação do Shh.
A proteína Shh atua a partir da sua ligação com o receptor Patched (PTCH) que normalmente quando não interagindo com algum proteína a via hedgehog (como o Shh) inibe o acumulo de outra proteína de membrana chamada SMO. Uma vez ligado ao PTCH, SMO pode acumular-se e uam série de alterações citoplasmáticas induzem a diferenciação de vários tipos de células por mecanismos dependentes do tempo de exposição e da concentração do ligante, que, por sua vez, induzem uma variedade de fatores de transcrição nas células progenitoras [Para maiores detalhes veja aqui]. Os ligantes da via Hedgehog conseguem atuar a curta e longa distância, com ambas os papéis sendo mediados pela porção N-terminal (~20 kDa) após o 'auto-processamento' que ocorre devido a atividade catalítico da porção C-terminal (~25 kDa) que é então excisada, após o que ocorre a adição de uma cauda lipídica que é responsável pelo aumento da atividade da Shh madura em até 30 vezes. A sinalização de curto alcance acontece através de diâmetros de uma ou duas células de uma maneira dependente diretamente do contato, parecendo funcionar a partir dos mecanismos de ligante/receptor tradicionais, mas a sinalização de longo alcance ainda é pouco compreendida, sendo exatamente esta forma de sinal a responsável por controlar a diferenciação tecidual. São propostas três maneiras que isso pode se dar: 1) Simples difusão; 2) um mecanismo de retransmissão por sinais secundários; e 3) e entrega direta da proteína Shh a partir de extensões citoplasmáticas [Veja aqui].
Como pode ser observado, em camundongos os cinco dedos desenvolvem-se, sendo que D4 é o primeiro dedo a ser visto (FVD), formando o principal eixo de desenvolvimento. Já nas patas da galinha, a região progenitora P5 não se desenvolve, mas D4 é também o primeiro dedo a ser visto. Nas asas das galinhas a região progenitora P5 também não se desenvolve, mas todos os outros progenitores 'avançam' uma posição, com P4 movendo-se para fora da ZPA para a posição onde ficava P3 que, por sua vez, muda para onde ficava P2 que muda para onde ficava P1 que não se desenvolve. Com isso teríamos, segundo os autores do estudo da Science, agora, P4 desenvolvendo-se fora da ZPA na posição anteriormente de P3 sendo, agora o dedo D3 (e ele é agora o primeiro a ser visto); já P3, ao desenvolver-se na posição P2, é o dedo D2; e P2, ao desenvolver-se na região P1, passa a ser dedo D1.
Por isso ao examinarmos dinossauros e mesmo algumas aves modernas encontramos o padrão D1, D2 e D3, mas ao nos determos no começo do processo de desenvolvimento dos dedos, quando ainda estão sendo formados os condensados primordiais ainda por adquirirem suas identidades, o que observamos é o padrão CII, CIII e CIV. Isso é corroborado pelo fato de, após esta fase, os primórdios mudarem seu padrão de resposta a certas proteínas morfogenéticas como sonic hedgehog, alterando sua posição relativa em relação a ZPA, além do fato de já ter sido observado que a condensação CII dos membros dianteiros das aves exibe um padrão de expressão de genes Hox que é encontrado nos membros dianteiros de camundongos e posteriores de galinhas e que seriam equivalentes aos do dedo D1, já indicando que a hipótese da mudança de marco deveria estar correta.
Existem vários detalhes ainda incertos, como os relacionados aos dedos D2 e D3 que parecem ser diferenciar de maneira bem mais distintiva nos membros dianteiros das aves modernas, sugerindo que o processo é bem mais dinâmico e plástico, podendo ter mudado outras vezes e em linhagens específicas ao longo da evolução. Por isso embora certas polêmicas persistam**elas não conseguem abalar o consenso sobre a relação entre as aves modernas e os dinossauros terópodes, sendo mais uma questão de identificar como houve o desacoplamento entre os processos de formação dos rudimentos numéricos dos dedos e sua posterior tomada de identidade anatômica.
____________________________________________________
*Alguns tetrápodes bem primitivos como Acantosthega possuíam entre 7 e 8 dedos, sugerindo que na transição entre os peixes e tetrápodes havia mais flexibilidade neste aspecto até que, a partir de um ancestral com o padrão pentadáctilo, os tetrápodes modernos evoluiram [Para mais informações veja aqui].
**Em um comentário publicado online Nature Precedings, sobre o artigo de Tamura et al. (2011) na revista Science, Xu e colegas (201) defendem que a situação é mais complicada do que o aludido pelos autores e mesmo por Wagner, apontando para evidências mais recentes como alguns estudos de espécies de terópodes fósseis tetanuranos que parecem exibir os dedos D2, D3 e D4, além dos próprios estudos dos autores do comentário que mostram evidências bastante ambíguas, por exemplo, com maioria das características metacarpiais dando apoio as identidades D2, D3 e D4 e das falanges, em contraste, dando apoio para D1, D2 e D3 cuja fórmula altamente conservada de falanges2-3-4 tem sido usada como o padrão para a identificação dos dedos dos membro tridáctilos como sendo D1, D2 e D3, em detrimento de outras características, o que só foi apreciado mais recentemente com a descoberta de um dinossauro terópode chamado de Limusaurus com aparentes resquícios do dedo D1, ou seja, o polegar.
No comentário também são citados outros dados embriológicos que não teriam sido apreciados adequadamente no artigo de Tamura et al. (2011). Entre eles estão vários estudos que também identificam os dedos dos membros dianteiros das aves como sendo D1, D2 e D4, portanto, não seria uma novidade. Porém Xu admite que embora existam outras linhas de evidência embriológicas que apoiariam a identificação dos dedos como D2, D3 e D4 nas asas das ave, o artigo do grupo japonês teria as enfraquecido ao refutar a hipótese que o dedo D4 seria o eixo primário (“the primary axis-digit D4 hypothesis”). Então, de acordo com o comentário de Xu e colaboradores (2011), os dados paleontológicos não estariam em franco contraste, mas haveria um debate mais nuançado com ambos os lados podem lançar mãos de dados paleontológicos/anatomia comparada e da biologia do desenvolvimento/embriologia comparada. Os autores também criticam o excesso de peso dado aos critérios anatômicos para estabelecer as correspondência de homologia entre o membro tridáctilo dianteiro das aves (e dos dinossauros terópodes extintos) e o membro pentadáctilo tetrápode padrão, enfatizando a importância dos critérios embriológicos e de posição.
Porém, é exatamente nesse ponto que os problemas (e a solução potencial) aparecem, uma vez que a informação de posicionamento pode ser também bem ambígua, ainda que, segundo eles, o membro autopóide pentadáctilo conservado serve como um guia relativamente confiável, o que sugeriria que tanto as aves modernas como os terópodes tetanuranos maniraptores (dos quais descendem as aves) teriam a fórmula digital D2, D3 e D4 (o que também corrobora a já bem estabelecida posição das aves como dinossauros, diga-se de passagem). Dito isso, os autores do comentário crítico concordam que as evidências mostram que algumas características morfológicas e desenvolvimentais realmente mudaram suas posições de expressão de uma maneira coordenada, aceitando a “hipótese da mudança de quadro”.
Em revisões de literatura recente Wagner e outros cientistas (Young, Bever, Wang e Wagner, 2011 e Bever, Gauthier e Wagner, 2011) resumem os últimos 10 anos de discussão, defendendo a hipótese de mudança do marco contra algumas as novas evidências paleontológicas (comentadas por Xu e colegas, 2011) e,como eles, enfatiza que a derivação de aves de dinossauros terópodes não está mais em questão, assim como também não estão as identidades posicionais dos dedos das aves. Sendo elas bem estabelecidas como D2, D3, e D4, juntando-se a crítica de Xu as conclusões de Tamura et al. (2011). Porém, também parece claro e muito bem estabelecido que os programas genético-desenvolvimentais que definem as identidades dos dedos nas asas das aves são os correspondentes aos dos dedos D1, D2 e D3. O deslocamento do marco de expressão dos genes que controlam a identidade dos dedos parece não estar mais em dúvida e realmente ocorreu, restando grandes incertezas, entretanto, sobre quando e como este fenômeno teria ocorrido. O problema, portanto, do artigo de Tamura et al. (2011) não são as evidências, mas apenas o fato dos autores preferirem denominar os dedos em função dos padrões de expressão genéticos e das características celulares responsáveis pela definição tardia da identidade e não a partir de sua origem embriológica mais anterior.
___________________________________________________
Referências:
Wagner GP, Gauthier JA. 1,2,3 = 2,3,4: a solution to the problem of the homology of the digits in the avian hand. Proc Natl Acad Sci U S A. 1999 Apr 27;96(9):5111-6. PubMed PMID: 10220427; doi: 10.1073/pnas.96.9.5111
Wagner GP. The developmental evolution of avian digit homology: an update. Theory Biosci. 2005 Nov;124(2):165-83. Epub 2005 Sep 12.
Wang Z, Young RL, Xue H, Wagner GP. Transcriptomic analysis of avian digits reveals conserved and derived digit identities in birds. Nature. 2011 Sep 4;477(7366):583-6. doi: 10.1038/nature10391. doi:10.1038/nature10391
Tamura K, Nomura N, Seki R, Yonei-Tamura S, Yokoyama H. Embryological evidence identifies wing digits in birds as digits 1, 2, and 3. Science. 2011 Feb 11;331(6018):753-7. doi: 10.1126/science.1198229.
Xu, Xing, Choiniere, Jonah , Sullivan, Corwin, and Han, Fenglu. (2011) Comment on “Embryological evidence identifies wing digits in birds as digits 1, 2, and 3.”. Disponível em Nature Precedings
Young RL, Bever GS, Wang Z, Wagner GP. Identity of the avian wing digits: problems resolved and unsolved. Dev Dyn. 2011 May;240(5):1042-53. doi: 10.1002/dvdy.22595.
Bever GS, Gauthier JA, Wagner GP. Finding the frame shift: digit loss, developmental variability, and the origin of the avian hand. Evol Dev. 2011 May-Jun;13(3):269-79. doi: 10.1111/j.1525-142X.2011.00478.x.