Biologia + Ciências Naturais

Andando sob as águas

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Lembro-me que em uma aula de Biologia de Vertebrados I, estávamos discutindo sobre a origem do grupo. Foi a primeira vez que ouvi falar de filogenética e foi também quando finalmente entendi o que eram “peixes de nadadeiras lobadas” e “peixes de nadadeiras raiadas”. É interessante como a biologia faz mas sentido quando vista como um todo do que em suas partes, não? Evolução ajuda muito neste aspecto. Agora deixemos minhas memórias de velho de lado e entremos no assunto.

O artigo, intitulado “Behavioral evidence for the evolution of walking and bounding before terrestriality in sarcopterygian fishes” toca justamente no assunto. O que estes pesquisadores fizeram foi usar um animal atual para fazer algumas inferências sobre a origem dos tetrápodes. Para quem desconhece o termo, tetrápodes são os vertebrados de quatro patas que inclui anfíbios, répteis, mamíferos e aves. Os tetrápodes são descendentes de peixes Sarcopterygii (os de nadadeiras lobadas). Estes peixes são hoje representados pelo lendário Celacanto (Latimeria chalumnae que é mais conhecido como “o fóssil vivo”).

Segundo a teoria clássica de Romer, era que peixes, obrigados a se migrar de um lago semi-seco para outro, teriam aos poucos se habituado com a vida na superfície. Isso soa meio absurdo, mas tem peixes bem normais (do tipo que vai para a panela) que fazem isso hoje em dia, o peixe gato é um exemplo só para ilustrar.

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O peixe-gato e seu andar de buldogue.

O que está em questão é que o processo “da água para a terra”, ocorrido durante o Devoniano, é muito drástico e exige mudanças no esqueleto apendicular. Alguns fósseis dos primeiros tetrápodes têm traços de animais aquáticos. Então como a forma de locomoção dos animais terrestre teria surgido dentro d’água?

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Esta é A Verdadeira origem dos animais terrestres. Esse negócio de paleontologia é só mentira, Youtube é o que há ;)

A pesquisa é bem simples. O peixe pulmonado Protopterus annectens possui nadadeiras longas e finas, bem inadequadas para a vida na terra, além disto, possui uma anatomia típica de ancestrais dos tetrápodes e foi usado de modelo. Testaram como era o nado dele com fotos e filmagens. O experimento mostrou que o P. annectens usa as nadadeiras posteriores para dar impulso a partir do substrato o que lhe dá aquela ginga de lagartixa quando foge com a alternância dos membros posteriores a cada passo. Notem no vídeo abaixo como existe uma clara diferença entre o apoio usado pelo Peixe-gato, do vídeo acima, e o P. annectens.

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Protopterus annectens gingando.

O nado do P. annectens ainda está longe de um caminhar, mas já é grande a diferença em relação aos peixes típicos. Os Actionopterygii (os de nadadeiras raiadas, incluindo o peixe-gato) geralmente usam as nadadeiras peitorais para forçar o deslocamento (tanto em água quanto em terra) enquanto o nosso modelo está usando as traseiras, isso é semelhante ao tipo de impulso usado pelos tetrápodes. Isto sugere que o P. annectens é um modelo de morfologia mínima para a locomoção baseada em substrato e que por sua vez é a base para a locomoção em terra seca.

PS: Há um outro artigo que saiu na mesma época. Esse vai mais longe e propõe novas interpretações sobre a origem dos tetrápodes. É interessante quando várias pesquisas em torno de um mesmo ponto são publicadas assim, quase ao mesmo tempo. A quem interessar possa, o título é “Woodland Hypothesis for Devonian Tetrapod Evolution“.

King HM, Shubin NH, Coates MI, & Hale ME (2011). Behavioral evidence for the evolution of walking and bounding before terrestriality in sarcopterygian fishes. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 108 (52), 21146-51 PMID: 22160688

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Usando Biogeoquímica para entender melhor o passado do planeta: a relação entr e Molibdênio, Oxigênio e a Vida

O oxigênio é uma das causas de nosso envelhecimento pois destrói toda a matéria orgânica que pode. Um exemplo disto é que materiais como pólen e artefatos de madeira de importância histórica, os quais geralmente estragam com o tempo, são preservados por séculos e até milhões de anos quando mantidos longe do O2.

Entretanto, o gás que tudo “enferruja” é um elemento importantíssimo para a biosfera e a sua história ao longo destes milhões de anos está atrelada a eventos importantes da evolução biológica. Este artigo, publicado no PNAS e intitulado “Devonian rise in atmospheric oxygen correlated to the radiations of terrestrial plants and large predatory fish” trata justamente de avaliar as reais concentrações de oxigênio nos oceanos usando marcadores geoquímicos, especificamente o Molibdênio, e sua relação com o desenvolvimento de organismos complexos no planeta.

Atualmente a atmosfera terrestre possui uma concentração de 21% oxigênio, embora anteriormente as concentrações fossem indetectáveis pois a mesma se formou como um atmosfera redutora originalmente, rica em substâncias reduzidas como o CH4 e quase sem oxigênio livre. Os dados que temos sobre os níveis de oxigênio da atmosfera primitiva e posterior foram inferidos a partir de processos geoquímicos que interagiam com este oxigênio livre. Substâncias que aumentavam ou diminuíam de concentração no registro estratigráfico de acordo com as variações de O2 da atmosfera ou dos mares. Por exemplo, os níveis de Enxofre, Ferro e Molibdênio em depósitos sedimentares mostram que aconteceram aumentos nas concentrações oceânicas de Oxigênio durante o Ediacariano. Este, por sua vez, foi um período marcado pela grande diversidade de organismos bilaterais e bem mais complexos que os dos períodos anteriores que são conhecidos como Fauna Ediacara.

Fauna do Ediacário: será a explosão do cambriano um fenômeno climático?
Fauna do Ediacarano: será a explosão do cambriano um fenômeno climático?

 

A concentração de Molibdênio (Mo) nos oceanos é regulada pelas concentrações de H2S e O2. Na presença do Oxigênio o Mo mostra-se solúvel na forma de um ânion: molibidato. Em águas sulfídricas ele reage com o H2S combinando-se com partículas em suspensão rapidamente. Atualmente a concentração de Molibdênio no mar é de 105nM e em rios é de 6nM. Seu tempo de residência é bastante longo sendo que o mar mantém uma composição isotópica de Mo homogênea em todo o planeta. Ambientes estagnados e ricos em H2S são raros atualmente, porém, são responsáveis por uma redução considerável nas concentrações de Mo pois a acumulação nos sedimentos é de 2 a 3 vezes maior nestes ambientes. Mas nem todo o Molibdênio é removido da água, em ambientes oxigenados, como os mares atuais, o isótopo Mo98 é mais presente do que o isótopos mais leves. É esse fracionamento isotópico  nos sedimentos do período é que dá a dica sobre a oxigenação dos mares antigos.

Resumo da Ópera: altas concentrações do Molibdênio 98 indicam um ambiente mais oxigenado enquanto que baixas concentrações caracterizam um ambiente redutor com fixação sulfídrica do Mo.

Outros fatores podem acarretar no aumento das concentrações de Mo em ambientes anóxicos, águas enriquecidas com enxofre, por exemplo. Para evitar erros de interpretação os autores usaram o Ferro como parâmetro de comparação. Enriquecimento de Molibdênio em ambiente anóxico geralmente está associado a aumento das concentrações de Ferro também. Outro elemento importante para compreender a oxigenação é o carbono orgânico total (CTO). A relação entre ele e o Mo reflete suas concentrações nas águas marinhas superficiais. Quanto maior for a deposição sulfídrica de Mo, menor será a razão Mo/CTO e a concentração de Mo da água marinha.

Apesar de fatores que possam intervir como descargas fluviais e concentrações intermitentes de H2S que afetam algumas áreas individualmente, em média os dados mostram que há dois momentos importantes da oxigenação dos oceanos no Eon Proterozoico. Durante a maior parte do período a concentração do Molibdênio manteve-se em estáveis 1.1‰ e sofreu um aumento para 1,6‰ e um declínio para em 1,4‰ no fim do Neo-Proterozoico (550 Ma). Um aumento para 2,0‰, quase a concentração moderna, entre o médio Siluriano e o médio Devoniano (430-390 Ma).

O primeiro evento de oxigenação dos oceanos identificado com a a ajuda do Molibdênio coincide com a diversificação inicial de grandes animais como os primeiros bilatérios no Ediacariano. Mesmo assim, é provável que a oxigenação fosse baixa em relação aos níveis modernos pois ainda havia uma predominância de ambientes sulfídricos nos oceanos no início do Paleozoico. E mesmo em condições de águas estagnadas este ambiente dificilmente se manteria por 150 milhões de anos como se manteve até o segundo evento de oxigenação se a oxigenação atmosférica fosse tão alta quanto a atual.

O segundo evento de oxigenação ocorreu no Devoniano e recebeu pouca atenção apesar de ser o mais importante da história terrestre. Este aumento já havia sido previsto em modelos anteriores da atmosfera daquele período. A oxigenação do Devoniano coincide com a diversificação das plantas vasculares e domínio dos grandes peixes predadores que caracterizam este período.

Estes gráficos, tirados do artigo, mostram a relação entre: A) Razão Molibdênio/Carbono Orgânico Total em sedimentos (bolinhas brancas são dados pretéritos, as verdes são novos); B) Molibdênio na água inferido a partir de sedimentos ricos em H<sub>2</sub>S (as bolinhas vermelhas são ambientes marinhos muito sulfídricos, as rosas são os de média concentração); A) Tamanho máximo dos cordados em função do tempo. Notem que concentrações maiores de Mo 98 indicam águas mais oxigenadas e ao mesmo tempo há um aumento no tamanho máximo dos organismos.
Estes gráficos, tirados do artigo, mostram a relação entre: A) Razão Molibdênio/Carbono Orgânico Total em sedimentos (bolinhas brancas são dados pretéritos, as verdes são novos); B) Molibdênio98 na água inferido a partir de sedimentos ricos em H2S (as bolinhas vermelhas são ambientes marinhos muito sulfídricos, as rosas são os de média concentração); A) Tamanho máximo dos cordados em função do tempo. Notem que concentrações maiores de Mo 98 sedimentar indicam águas mais oxigenadas e ao mesmo tempo há um aumento no tamanho máximo dos organismos.

A atuação das plantas terrestres foi vital neste processo. A biomassa terrestre possui uma relação Carbono/Fósforo maior que a biomassa marinha pois plantas vasculares, por exemplo, ao morrerem fixam muita biomassa que acaba sendo enterrada pela constante erosão e formação de solo. Esta fixação constante de carbono orgânico no solo previne que o Oxigênio da atmosfera seja consumido em degradações de matéria orgânica, o que ajuda a mantê-lo em níveis mais altos por mais tempo. Os peixes do período também evidenciam o aumento do oxigênio na água pois são um dos grupos menos tolerantes à hipoxia. O período Devoniano testemunhou um grande aumento no tamanho máximo dos animais marinhos.

Os resultados obtidos pelos autores corroboram outras pesquisas com dados paleo-biogeoquímicos e estão de acordo com o registro fóssil, porém, dão uma ideia mais precisa de quando cada transformação ocorreu na atmosfera do planeta.

Referências:

 

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Isótopos de minerais podem revelar se dinossauros tinham sangue frio ou quente

O apavorante e enorme Tyrannosaurus rex tem uma reputação de matar suas vítimas a sangue-frio. Mas será que esse dinossauro era ectotérmico (tinha sangue frio)?

Em função dos fortes laços evolutivos entre répteis (ectotérmicos) e aves (endotérmicos), torna-se difícil saber se os dinossauros também não eram capazes de regular a própria temperatura corporal interna.

Um novo método de estudar as ligações químicas de um mineral encontrado nos dentes e ossos desses animais pode finalmente oferecer uma maneira de resolver essa dúvida.

Pesquisadores descobriram isótopos pesados de carbono e oxigênio se ligam de forma diferente na versão biológica do mineral apatita (componente principal dos ossos e dentes de animais, vivos ou extintos). “Esses isótopos raros são propensos a se unir em grupos a baixas temperaturas; portanto, se medirmos a aglutinação com precisão suficiente, é possível descobrir em qual temperatura o mineral foi precipitado”, explica Robert Eagle, pesquisador de pós-doutorado em geoquímica no California Institute of Technology e principal autor do novo estudo, publicado on-line no dia 24 de maio no Proceedings of National Academy of Sciences.

Fonte: SCIAM

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Linux Vs. E. coli

Taí um assunto que eu adoro: A relação entre sistema biológicos e computacionais:

Peguem como exemplo um estudo recente publicado na PNAS. Pesquisadores compararam a rede regulatória de dois sistemas. Um sistema biológico, a bactéria Escherichia coli, já que ela possui muitos de seus genes conhecidos (trata-se de um dos organismos mais estudados) e um sistema operacional, o Linux, pois seu código é de acesso livre e seu desenvolvimento é muito bem documentado.


Os genes (fatores de transcrissão) de E. coli e os comandos do Linux foram classificados em três categorias: as reguladoras, funções que apenas invocam outras, e não são chamadas (controladas) por ninguém (em amarelo acima); as controladoras, chamam e são evocadas por outras funções (em verde); e as efetoras, funções que apenas realizam tarefas, sendo chamadas sem controlar mais ninguém (em roxo).

As diferenças entre os sistemas foram impressionantes. A primeira delas, que já fica clara com a figura, é a distribuição das funções. Em E. coli, menos de 5% das funções são controladoras ou reguladoras, a maioria é efetora. Estes genes, geralmente enzimas, obedecem a poucos reguladores. Já no Linux, 80% das funções são reguladoras ou controladoras, e muitas delas chamas os mesmos efetores.

Veja o artigo completo no Rainha Vermelha

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A Evolução tem formas diferentes de atuar sobre a morfologia e a fisiologia?

Será que os mesmos mecanismos evolutivos que atuam sobre as mudanças de forma (morfologia) também afetam o funcionamento (fisiologia) dos organismos? Algumas teorias já haviam tentado elucidar esta questão, mas agora estamos mais perto de uma resposta.

Mary-Clareie King e Allan Wilson sugeriram, em 1975, que a evolução dos caracteres comportamentais e fisiológicos eram definidos mais por mudanças da expressão gênica do que por mudanças nos genes em si. Sean Carrol, em 2005 propôs que estas modificações que afetavam a morfologia ou fisiologia dos organismos ocorriam por via de mecanismos genéticos diferentes e acrescentou que mudanças fisiológicas são devidas a mudanças na seqüencia dos genes enquanto as morfológicas é que eram resultado de mudanças na expressão.

Para testar esta hipótese, pesquisadores da Universidade de Michigan e do Instituto Nacional de Pesquisa de Saúde de Taiwan usaram ratinhos nocauteados. Estes ratos possuem deficiências genéticas por encomenda que permitem aos pesquisadores observar que falta faz um gene.

Ele identificaram através dos ratos, quais genes controlavam estritamente características morfológicas ou fisiológicas. Assim poderiam testar cada uma das características com precisão.

O que eles observaram foi que:

  • Genes que determinavam características morfológicas, tinha instruções para o controle das transcrições. Ou seja, controlavam a expressão gênica, ativando ou desativando outros genes.
  • Genes que determinavam características fisiológicas continham instruções para síntese de enzimas como receptores, transportadores e etc…

Analisando isto em termos evolutivos ficou claro que genes que definem características fisiológicas mudam suas seqüencias muito mais rápido do que genes morfológicos. Isto leva a mudanças na seqüencia de aminoácidos que compõem a proteína conseqüentemente, alterando sua estrutura e funcionamento. Enquanto isso, genes que definem características morfológicas mudam seus padrões de expressão mais rapidamente que os genes fisiológicos. Isto indica que mudanças morfológicas são causadas mais por modificação da expressão gênica o que mostra que poucas mudanças ocorrem no DNA em si para que mudanças significativas ocorram no organismo como um todo.

Este tipo de pesquisa pode ser muito util para identificar genes que causem problemas morfológicos em humanos. Com esses dados, é possível identificar mais facilmente os genes mutantes envolvidos na doença.

Veja a pesquisa aqui, no PNAS:
Ben-Yang Liao, Meng-Pin Weng, Jianzhi Zhang. Contrasting genetic paths to morphological and physiological evolution. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2010; DOI: 10.1073/pnas.0910339107

Fonte: ScienceDaily

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O argumento do relojoeiro de Paley ou Uma análise bem legal da lógica criacionista

O texto pode ser bem indigesto mas é interessante a leitura. Fora o vídeo no final que é impagável ;)

[…]

Eu sei que o relógio presumivelmente foi feito na Suíça. Que o mecanismo é a quartzo, e entretanto, requer uma bateria. Que os parafusos foram colocados por alguém que pode ter usado uma lupa de joalheiro e que possuía um grau de destreza suficiente para ser hábil de trabalhar com pequenos objetos. Eu não posso, entretanto, afirmar que o joalheiro que montou o relógio foi o seu designer, assim como nem posso afirmar que as peças individuais foram feitas pelo mesmo joalheiro, ou mesmo pelo mesmo fabricante. Devido ao mecanismo a quartzo ser uma peça de eletrônica e pode ter sido feito por uma companhia diferente especializada em eletrônica. Ele pode ter sido fabricado, por exemplo, pela Siemens, ou pela Nippon Electric Corporation, e fornecido à Omega. Eu não posso afirmar que a gravação nas costas do relógio tenha sido estampada por uma máquina, ou gravada nas costas do relógio pelo joalheiro que fechou-a com parafusos, nem posso afirmar que foi gravada individualmente após a caixa ter sido feita. As partes individuais podem ter sido feitas por diferentes pessoas, e então montadas por um relojoeiro final (aliás, assim, exatamente os relógios e muitas máquinas complexas são geralmente feitos).[8]

Observação: Aqui devemos destacar que da mesma maneira que a análise partiu da fabricação de um relógio da marca Omega, esta análise não poderia ser aplicada com as mesmas conclusões (ou seja, o leque de conclusões possíveis se aplicaria) caso estivéssemos tratando de também um relógio Rolex, ou Tissot, etc. Assim, a existência de um ser vivo de determinado designer não implicaria em outros serem de projeto do mesmo, e assim, indefinidamente por todos os seres vivos.

Francis Collins, geneticista estadunidense[10], faz uma analogia similar, um argumento em paralelo, e mostra que tal conclusão lógica por um designer podem ser precipitada[11]:

1. Um relógio de pulso é complexo.

2. Um relógio de pulso teve um planejador inteligente.

3. A vida é complexa.

4. Portanto, a vida também teve um planejador inteligente.

Cita que no entanto, o fato de dois objetos partilharem uma característica (no caso, complexidade) não significa que compartilhem todas. Apresenta para demonstrar tal, o argumento paralelo a seguir:

1. A corrente elétrica na minha casa é formada por um fluxo de elétrons.

2. A corrente elétrica vem da empresa de energia elétrica.

3. Relâmpagos são formados por um fluxo de elétrons.

4. Portanto, os relâmpagos vêm da empresa de energia elétrica.

[…]

Fonte: Knol – O argumento do relojoeiro de Paley