Wednesday June 01, 2011
Anonymous: Considerando a teoria da evolução, como uma criatura primária se separou em dois sexos? Essa é minha maior dúvida genética sobre a evolução.
Questões referentes a origem e evolução do sexo, bem como dos tipos masculino e feminino, já foram abordadas anteriormente em respostas do formspring [1 ,2, 3, 4, 5, 6, 7, 8].
Simplificando e resumindo bastante, é preciso primeiro lembrar que a reprodução sexuada evolui em seres unicelulares e eve ter se iniciado envolvendo indivíduos sem diferenciação sexual. Como ocorre até hoje em espécies isogâmicas em que não existem machos e fêmeas, mas apenas tipos acasalantes (‘mating types’), depois evoluindo para a anisogamia, em que os gametas são mais diferenciados e, em seguida, em algumas linhagens, para oogamia, em que um dos gametas, no caso o ovócito, acaba tendo um tamanho muito maior e assumindo boa parte dos custos nutricionais. A evolução da anisogamia a partir da isogamia é que está por trás a existência de dois sexos diferenciados que estamos habituados. Acredita-se que isso possa ter ocorrido por seleção disruptiva em uma população originalmente isogâmica, mas com certa variação de tamanho entre os gametas. Na seleção disruptiva, os extremos dese contínuo são favorecidos. Existe um certo balanço entre o custo de se produzir gametas de um certo tamanho e o tamanho do zigoto formado, Enquanto que gametas grandes são muito custosos por um lado, zigotos muito pequenos e sem reservas têm chances menores de sobreviverem, assim em algumas circunstâncias, como em certos seres multicelulares mais complexos com tempos maiores desenvolvimento, a isogamia torna-se instável, principalmente se a chance de sobrevivência dos zigoto aumentar muito com o tamanho. Modelos dependentes de freqüência e baseado em teoria dos jogos evolutivos também podem ajudar a explicar a evolução dessa diferenciação. Na medida em que começam aparecer mais de um dos tipos extremos passam a ser favorecidos o extremo oposto e complementar. Assim, os extremos da população seriam favorecidos, como forma de especialização em uma dada estratégia, ou seja, um dos tipos focando na mobilidade e baixo custo de produção (gametas masculino) e o outro nas reservas e aumento de chance de sobrevivência do individuo formado. Algo semelhante poderia explicar a evolução da oogamia e da diferenciação típica entre esperma e óvulo, em que um dos sexos investiria na 'quantidade’ e outro 'na qualidade’, o que molda as estratégias e adaptações morfológicas que vemos em animais (nós como exemplo), por exemplo.
Mas de onde veio o sexo, afinal?
A origem da reprodução sexuada, assim como sua manutenção entre os seres vivos ao longo da história da vida, é uma das grandes questões em aberto da biologia evolutiva. É alvo, portanto, de grande debates e intensa investigação por parte dos cientistas. Enquanto existem várias hipóteses muito bem articuladas e que tem sido testadas para a manutenção desse tipo de estratégia evolutiva (que é incrivelmente disseminada entre os eucariontes), após seu surgimento, o estudo das origens, propriamente ditas da reprodução sexuada é muito mais obscuro e complicado de se investigar, o que obriga os cientistas a usarem evidências bem menos diretas e muita criatividade ao postular modelos e investigar as evidências que os corroborem e refutam. A palestra de Stephen Stearns da universidade de Yale em seu curso “Evolution, Ecology and Behavior” é uma ótima introdução ao assunto:
Para começarmos a entender como o sexo pode ter evoluído é preciso primeiro desconstruir a reprodução sexuada. Fazemos isso ao percebermos que ela ocorre não só em organismos multicelulares com ciclos complexos de vida, genitália especializada, complicados rituais de côrte, alternância entre as fases e produção de gametas bem diferenciados e com papéis bem especializados, como espermatozóides e óvulos. De fato, existem espécies multicelulares em que não há diferenciação entre gametas e até em que os gametas nem existem. O sexo ocorre também em espécies de eucariontes unicelulares, nas quais o sexo é destituído de boa parte de sua complicação e se mostra em sua essência, isto é a fusão entre células, recombinação, seguida de divisão. Em seguida devemos nos lembrar que formas de recombinação e troca de material genético não sexuadas entre indivíduos diferentes são bem conhecidas e praticamente todos os resultados da reprodução sexual podem ser obtidos através dos processos sexuados de transferência horizontal, conjugação bacteriana, transdução viral, mas sobre isso discutiremos mais no final desta resposta.
A partir desse núcleo básico, que envolve a reprodução sexuada, muita coisa pode ser adicionada aos poucos em etapas subseqüentes, como adaptações específicas e/ou acidentes derivados de determinadas situações em linhagens particulares que são perpetuados e adquirem novas funções em suas linhagens descendentes. A divisão de papéis e a mudança de estratégias entre os tipos celulares envolvidos (mating types), a especialização de uma célula para processo sua eventual segregação e evolução de tecidos especializados (as gónadas) que lhes dão suporte (que se segue a evolução da multicelularidade em animais e plantas) e mudança no tempo passado em cada fase, com a fase diplóide tornando-se preponderante, são exemplos de incrementos adicionais ao cerne da reprodução sexuada. Podemos ver cada uma desses “refinamentos” adicionais em diferentes linhagens, alguns podem ter surgido por evolução convergente, mas a maioria através da herança de ancestrais comuns e inovações subseqüentes dentro de alguns ramos e sub-ramos de uma dessas linhagens. No vídeo logo abaixo são mostradas várias dessas diferentes formas e estratégias de reprodução sexuada, que podem ser vistas como análogas a (ou modelos para) algumas etapas envolvidas na evolução da reprodução sexuada:
Mesmo não tendo todos os detalhes podemos propor como a reprodução sexuada na configuração típica dos mamíferos poderia ter se originado em algumas etapas. O vídeo acima também propõem um modelo em 10 passos que achei bastante didático para a evolução dos padrões de reprodução típicos de mamíferos como nós.
Concentrando-se no cerne da questão, a reprodução sexuada tem como principal obstáculo para sua compreensão, compreendermos como aconteceu a passagem de um estágio haplóide -, com um único conjunto cromossômico (nas bactéria um único “cromossomo” circular) - para um outro diplóide com o dobro de cromossomos e como evoluiu um processo como a meiose. A diploidia e a meiose (envolvendo a duplicação do material genético seguida de divisões redutivas), contudo, não precisam ter se originado ao mesmo tempo.

![[Título: The sexual cycle Autor:Seb951] [Título: The sexual cycle Autor:Seb951]](http://en.wikipedia.org/wiki/File:Sexual_cycle.png)
É possível que a meiose tenha se originando primeiro ou como forma de compensar para eventuais erros de divisão celular após duplicações cromossômicas ou por que ciclos de ploidia poderiam ser vantajosos em certas situações. Assim como ela pode ter evoluído depois, como uma resposta adaptativa a poliploidia. Essas questões são exploradas neste outro vídeo abaixo (versão com legenda em espanhol) de maneira muito didática:
Existem várias hipóteses que explicam em que contexto esse processo seria vantajoso para os organismos que os exibissem, bem como alguns modelos mecanicistas de como isso poderia ter acontecido. As origens das base moleculares do processo não são muito difíceis de vislumbrar. A maquinaria bioquímica utilizada na meiose é muito semelhante a usada na mitose e na correção de erros e empacotamento cromossômico, assim como a habilidade de fusão entre células está associada a própria transição para procarionte-eucarionte, como a perda da membrana celular, a formação de organelas membranosas citoplasmáticas e a formação do núcleo que, talvez, possa ter evoluído através de um processo de simbiose e co-infecção viral em que parte das proteínas do capsídeo viral - responsáveis pela interação e fusão com as membranas de células hospedeira - tenham passado a ser expressas nas membranas do eucarionte recém evoluído.
Assim, a passagem para a diploidia pode ter ocorrido pela fusão inicial entre duas células haplóides, por exemplo, ou, quem sabe, ter sido decorrente da falha de uma célula se dividir após duplicar seu DNA. A fusão com outra célula não clonal (ou seja geneticamente distinta), por exemplo, pode também ter sido um resultado acidental de um processo de “canibalização” (endocitose) não bem sucedido, ou apenas parcialmente sucedido, em que parte do material genético da presa foi incorporado pelo predador.
A fidedignidade da replicação do DNA é extremamente importante para a sobrevivência dos organismos e alguns tipos de erros, como os que afetam as duas fitas de DNA (lembre o DNA forma uma dupla hélice) só podem ser reparadas utilizando-se uma outra fita (de um outro cromossomo) como molde. Indivíduos diplóides, por outro lado, podem reparar uma porção mutada de seu DNA através de recombinação homóloga, uma vez que existem duas cópias do gene na célula. Isso não acontece em um indivíduo haplóide em que uma mutação mais facilmente passa a ser residente e ser passada adiante às futuras gerações. Isso ocorre por que quebras envolvendo as duas fitas da molécula de DNA não tem como ser reparadas sem que haja um molde sobressalente. Uma nova cópia intacta, entretanto, pode estar disponível em outro indivíduo. Assim, a reprodução sexuada pode ter surgido como uma adaptação ao reparo de certos tipos de danos ao DNA danificado. Já a alternância entre fases haplóides e diplóides, originalmente, pode ter evoluído apenas como uma estratégia de resposta a alterações nas condições ambientais, como até hoje acontece em certos organismos uni e multicelulares em que a reprodução ou a alternância entre fases diplóides e haplóides é deflagrada por estresse ambiental.
Wilkins e Holliday, contudo, defendem um outra hipótese, ao argumentarem que o aumento do tamanho e a nova organização diplóide do novo genoma (pós fusão por exemplo) aumentou também os riscos de erros fatais de replicação, durante a cópia do DNA e divisão celular. A possibilidade de embaralhamento entre os cromossomos com seqüências similares aumentaria. Desta forma o pareamento entre cromossomos homólogos surgiria como uma estratégia mais segura de preparação para a divisão celular, pois em caso de trocas, estas ocorreram entre versões dos mesmos genes durante a recombinação. Desta maneira, o risco associado a essa duplicação original impulsionou evolução ao servir como pressão para evolução desta nova estratégia de replicação e divisão celular. O alinhamento entre cromossomos homólogos preveni maiores problemas oriundos da recombinação e assim a meiose pode ter evoluiu como uma forma de reduzir os danos de recombinações incompatíveis.
Existe outra possibilidade, a de que a reprodução sexual teve sua origem a partir de elementos genéticos móveis, formas de “DNA egoístas” parasitárias que se replicam pelo genoma de seus hospedeiros. Como em alguns tipos de organismos a reprodução sexuada parece aumentar a disseminação deste tipo de parasita, a exemplo da própria conjugação bacteriana que não é, exatamente, uma forma de reprodução sexuada, mas sim um exemplo de transferência horizontal de genes. Por isso, alguns pesquisadores propõem que a reprodução sexual evoluiu a partir de um procarionte ancestral através de uma combinação de genes saltadores e da troca de plasmídeos.
Um hipótese bastante interessante e abrangente, a chamada “hipótese da origem do sexo como vacinação”, assume que o sexo evolui ao conferir proteção as células infectadas por plasmídeos e procariontes parasitas. Desta maneira, o sexo pode ter emergido ao manter essa relação, entre parasita-simbionte/hospedeiro, estável.
Existem muitas semelhanças entre os processos de transferência lateral de genes em bactérias (por transposons, bacteriófagos e conjugação), colocando esses fenômenos na fronteira entre a infecção e a hereditariedade. Isso acontecer por que, além dos aspectos patogênicos, várias características - como utilização, por parte de uma bactéria, de uma nova fonte de alimentos, adquisição de virulência, toxinas e imunidade específica contra elas, além da resistência a antibióticos – são muitas vezes transferidos de uma cepa à outra de bactéria por simbiontes-parasitas, às vezes, vários deles agindo ao mesmo tempo. Outro exemplo é que vírus bacteriófagos ao se replicarem podem matar seu hospedeiro bacteriano (lise) e infectar novas bactérias lateralmente ser liberado com o rompimento de seu hospedeiro ou, em resposta à escassez de hospedeiros, integrarem-se ao cromossomo do hospedeiro, passando a ser transmitidos verticalmente pela replicação do mesmo (lisogênese). Este segundo tipo de processo confere imunidade contra superinfecção por outros fagos do mesmo tipo. Também, bastante, curioso e interessante é bactérias compatíveis mais não “infectadas” podem usar feromônios para atrair outras bactérias e induzir a transferência de plasmídios.
De fato, procariontes parecem exibir vários dos processos sexuais que consideramos característicos dos eucariontes, com a diferença de nos procariontes eles serem unilaterais e não respeitarem as fronteiras entre espécies, além de não ocorrerem todos juntos e nos mesmos organismos. Nos eucariontes, além da bilateralidade e de ocorrerem entre indivíduos da mesma espécie, o sexo envolve o processo de fissão, fusão e recombinação do genoma, o que pode ser visto, de acordo com Sterrer, como uma sequência de “infecções recíprocas”: a primeira entre genomas dos “avós”, durante a recombinação meiótica, e a segunda entre os genomas parentais em singamia, com cada etapa gerando genótipos novos.
A proposta de Sterrer é que a origem do sexo em eucariontes se deu pela como uma forma de controle e proteção contra o parasitismo em que o processo de infecção tornou-se cada vez mais ritualizado em que o hospedeiro, ao co-evoluir com simbiontes procariontes, passou a fragmentar e misturar os genomas parasitários e transmiti-los verticalmente através da sua própria divisão, inclusive como forma de imunização contra a superinfecção por simbiontes virulento não domesticados. Esse processo teria culminado com natureza em mosaico do genoma eucarionte. Várias evidências, que apóiam modelos de exclusão competitiva de parasitas genômicos, e de experimentos com seleção natural de microorganismos sugerem que parasitas e simbiontes genômicos podem conferir proteção a infecção por outros parasitas semelhantes e que caso estes parasitas sejam transferidos verticalmente, ou seja através da reprodução de seu hospedeiro, a virulência tende a ser atenuada, já que formas menos patogênicas sobrevivem mais e melhor, uma vez que dependem de seus hospedeiros.
como forma de prevenir a superinfecção por estes parasitas através da fragmentação e segregação dos genomas do simbionte que assim tornou-se menos virulento e domesticado. A transferência vertical, ou seja, as células filhas, poderia ter ajudado a prevenir a infecção por outros parasitas mais virulentos. A meiose teria evoluído como forma de impedir que o parasita/simbionte se reproduzisse sozinho e tomasse conta do hospedeiro, ao vincular sua reprodução a do hospedeira e fragmentar seus genes em diversos cromossomos.
Mas por que o sexo se mantém?
Apesar do acima mencionado, a reprodução sexuada impõem algumas limitações e custos aos organismos que seguem esta estratégia. O chamado custo duplo (“duas vezes”, the twofold cost of sex) é um dos principais problemas enfrentados por espécies sexuadas, já enquanto uma fêmea partenogenética podem gerar a fêmeas clonais idênticas, como 100% de seu material genético, uma fêmea equivalente ao se reproduzir sexuadamente, além de todo o trabalho envolvido na procura e acasalamento com um macho, só tem 50% de relação genética aos seus filhos. Portanto, a manutenção da reprodução sexuada também precisa de explicação.
Existe um texto em português sobre o assunto que explora alguns dos principais modelos e oferece algumas referências sobre o assunto aqui. Resumindo bastante a questão, duas hipóteses principais dominam as tentativas de explicar a manutenção da reprodução sexual. A primeira proposta por Kondrashov enfatiza o fato de que a maioria das mutações são apenas ligeiramente deletérias e acabam se acumulando através da deriva genética, em processo conhecido como a “catraca de Muller” (Muller’s hatchet). Seres assexuados não possuem formas muito eficazes de livrar-se deste tipo de mutação. O sexo e a recombinação proveniente dele, permitiria que estas mutações concentrassem-se em genomas de alguns indivíduos produzindo efeitos sinergísticos (multiplicando seus efeitos)e produzindo fenótipos muito incapacitantes, inviabilizando a sobrevivência do organismo em questão e contribuindo para a eliminação em massa destas mutações. Assim, a reprodução sexuada colaboraria ao purgar mutações deletérias das populações.
Segundo Kodrashov, este tipo de estratégia seria menos custosa e mais facilmente evoluível do que mecanismos de detecção e reparo de erros. O problema com essa hipótese é que para que ela consiga conferir explicar o processo, é preciso que mutações deletérias em uma taxa de pelo menos uma nova mutação por indivíduo por geração. Muitos estudos mostram que as taxas de mutações aproximam-se desse limite, portanto, a aplicabilidade deste modelo é limitada. Então, caso as taxas de mutação não sejam suficientes, talvez, este processo seja, simplesmente, lento demais. Assim, mesmo na ausência de mecanismo semelhante para compensar o acumulo de mutações, indivíduos assexuais poderiam suplantar os sexuados, simplesmente, pela velocidade de reprodução e por não precisar gastar tempo com a procura de parceiros e a divisão do seu material genético, diluindo sua contribuição à próxima geração.
A outra proposta seria um caso particular da chamada hipótese da Rainha Vermelha, proposta nos anos 70 pelo biólogo evolutivo/ecologista/paleontólogo Leigh Van Valen, em referência ao personagem da rainha vermelha que, em Alice através do espelho, avisa Alice que “seria preciso correr tanto quanto ela pudesse apenas para ficar no mesmo lugar”. A rainha vermelha é, portanto, ima forma de “corrida armamentista evolutiva”. No caso do sexo, a corrida se daria entre os seres sexuados e seus parasitas. A variabilidade genética e o “estoque” de alelos, permitido pela formação de heterozigotos, ajudariam a manter sobre controle os parasitas. Isso aconteceria por que a infecção parasitária depende da interação entre moléculas do parasita com moléculas da superfície e interior das células do hospedeiro. O sexo possibilitaria, assim, que os hospedeiros estivessem sempre trocando suas “fechaduras” moleculares para as “chaves” dos parasitas.
Modelos e simulações de populações sexuadas e assexuadas tendem a favorecer as sexuadas quando parasitas são acrescentados a simulação, em contraste do que acontece na ausência de parasitas. Apesar da atração e elegância dos modelos que tem como base a hipótese da rainha vermelha para a explicar a evolução e manutenção da reprodução sexua, são intrinsecamente difíceis de serem testados em campo, especialmente, porque são necessárias espécies organismos com populações assexuadas e sexuadas que compartilham o mesmo meio-ambiente e até mesmo parasitas. Algumas evidências em espécies reais para este modelo existem especialmente em populações de certo tipo de peixes mexicanos (Poeciliopsis) que possuem populações sexuadas e podem formar híbridos assexuados, mas estudos subseqüentes não confirmaram esta interpretação. Os animais das populações sexuadas tendem a ter menos parasitas (“vermes da mancha preta”) do que as assexuadas. Outro caso bastante mais persuasivo é do gastrópode Potamopyrgus antipodarum que vive em lagos a Nova Zelândia. Enquanto as espécies assexuadas oscilam em ciclos de explosão e declínio populacional em resposta aos parasitas, as populações sexuadas mantem-se mais estáveis.
Um outra proposta também bem interessante é que a evolução do sexo seja análoga à evolução da sociabilidade, especialmente de fenômenos como a cooperação. Assim, como a estabilidade da cooperação pode ser alcançada pela interação preferencial entre indivíduos que estão dispostos a cooperar (assortatividade) entre indivíduos capazes de reconhecer outros indivíduos propensos a colaborar, o que torna as interações não aleatórias em uma população, aumentando a chance de encontros entre indivíduos compatíveis, mantendo desta forma a cooperação, sem que haja , necessariamente, ganhos absolutos na aptidão darwiniana média da população. O sexo poderia ser mantido com a evolução e refinamento das habilidades cognitivas dos indivíduos em detectarem potenciais potenciais parceiros, permitindo assim o ajustamento das estratégias na população tornando o processo menos aleatório, como acontece em modelos de evolução da cooperação dependentes seleção dependentes de frequência, em que interações preferenciais como reciprocidade direta, indireta ou em rede podem produzir cooperação, a despeito dos custos e das eventuais vantagens imediatas para os desertores.
A origem e evolução do sexo continua como uma das grande questões da biologia evolutiva, mas cada vez mais estudos, hipóteses e modelos nos ajudam a compreender melhor esse fenômeno.
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Literatura recomendada:
Bulmer MG, Parker GA. The evolution of anisogamy: a game-theoretic approach. Proc Biol Sci. 2002 Nov 22;269(1507):2381-8. Erratum in: Proc R Soc Lond B Biol Sci. 2002 Dec 22;269(1509):2603. PubMed PMID: 12495507; PubMed Central PMCID: PMC1691164.
Bell G. The evolution of anisogamy. J Theor Biol. 1978 Jul 20;73(2):247-70. PubMed PMID: 682642.
Bonsall MB. The evolution of anisogamy: the adaptive significance of damage, repair and mortality. J Theor Biol. 2006 Jan 7;238(1):198-210. Epub 2005 Jul 1. PubMed PMID: 15993424.
Cavalier-Smith T. Origins of the machinery of recombination and sex. Heredity. 2002 Feb;88(2):125-41. Review. PubMed PMID: 11932771.
Cavalier-Smith, T (2006). Cell evolution and Earth history: stasis and revolution". Royal Society of Biol Sci 361 (1470): 969–1006. doi:10.1098/rstb.2006.1842. PMC 1578732. PMID 16754610.
Feigel A, Englander A, Engel A. Sex is always well worth its two-fold cost. PLoS One. 2009 Jul 7;4(7):e6012. PubMed PMID: 19582152; PubMed Central PMCID: PMC2701646.
Jokela,J. et al., “The Maintenance of Sex, Clonal Dynamics, and Host-Parasite Coevolution in a Mixed Population of Sexual and Asexual Snails.” The American Naturalist 174, July Supplement (2009).
King KC, Jokela J, Lively CM. Parasites, sex, and clonal diversity in natural snail populations. Evolution. 2011 May;65(5):1474-81. doi: 10.1111/j.1558-5646.2010.01215.x. Epub 2011 Jan 10. PubMed PMID: 21521196.
Kondrashov AS. Deleterious mutations and the evolution of sexual reproduction. Nature. 1988 Dec 1;336(6198):435-40. Review. PubMed PMID: 3057385.
Lively CM. A review of Red Queen models for the persistence of obligate sexual reproduction. J Hered. 2010 Mar-Apr;101 Suppl 1:S13-20. Review. PubMed PMID: 20421322.
Schurko et al., A. M. “Signs of sex: what we know and how we know it.” Trends in Ecology & Evolution 24, 208 (2009).
Sterrer, W (2002). On the origin of sex as vaccination. Journal of Theoretical Biology 216 (4): 387–396. doi:10.1006/jtbi.2002.3008. PMID 12151256.
Weeks, S.C. A reevaluation of the Red Queen model for the maintenance of sex in a clonal-sexual fish complex (Poeciliidae: Poeciliopsis) Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Sciences, 1996, 53:1157-1164, 10.1139/f96-041
Wilkins, A. and Holliday,R., “The Evolution of Meiosis From Mitosis.” Genetics 181, 3 (2009).
Zimmer C. Origins. On the origin of sexual reproduction. Science. 2009 Jun 5;324(5932):1254-6. PubMed PMID: 19498143.
Abraços,
Rodrigo