O que é Biologia Sintética?

Criação do vírus artificial

Em 2010, os cientistas das universidades federais Pernambuco e Rio de Janeiro criaram em laboratório um vírus artificial de HIV, o que pode possibilitar o desenvolvimento de uma nova vacina terapêutica para pacientes portadores de AIDS.

O resultado foi gerado por um estudo que começou a ser feito em 2002 para a criação de uma vacina terapêutica contra o vírus HIV e que substitui os métodos tradicionais que utilizam o vírus retirado do próprio paciente soropositivo, o que envolve até dez coletas e é um processo mais demorado e oneroso.

Método e resultados

O desenvolvimento do protótipo aconteceu duas semanas antes do início da criação do vírus artificial. O procedimento teve apoio financeiro do Centers for Disease Control and Prevention de Atlanta, equivalente, nos EUA, à Fiocruz. Foram empregados US$ 500 mil na compra de reagentes e pagamento de bolsas nos últimos 12 meses.

Os cientistas usaram uma técnica de clonagem que permite cortar e colar os pedaços de DNA, colocando-os dentro de um vetor DNA chamado plasmídeo, até construir um genoma completo do HIV inativado.

A partir do experimento, foi produzida uma vacina, cujo efeito em metade de 18 pacientes foi a redução da carga viral a quase zero.

Outros testes devem ser feitos com um grupo de mil pacientes. Os pesquisadores garantem que a medicação deve chegar à população em cerca de cinco anos.

A segunda fase, em desenvolvimento, tem duração prevista de três anos e pretende alcançar 100% de eficácia. Os testes com a vacina são feitos no Laboratório de Imunopatologia Keiso Asami (Lika) da UFPE em parceria com a o Laboratório LIM-56 USP.

O primeiro protótipo de vírus recombinante tem sido testado em células dendríticas para avaliar o perfil de expressão das células e, posteriormente, a estimulação com o vírus.

Criação da célula artificial

Em 2010, o J. Craig Venter Institute anunciou a criação de uma célula bacteriana controlada por um genoma completamente artificial, num artigo científico da revista Science de 20 de Maio de 2010.

Após 15 anos de investigação, Craig Venter e a sua equipa anunciaram ter conseguido produzir em laboratório as unidades básicas do ADN de uma bactéria (Mycoplasma mycoides) e introduzir esse material sintético numa outra célula receptora de espécie diferente (Mycoplasma capricolum), que conseguiu reproduzir-se da forma mais natural. O genoma sintetizado continha várias marcas d'água incluídas no código para certificar que o genoma obtido não era natural. As marcas de água incluíam os nomes dos autores principais do projecto, um endereço de website que permite contactar o Instituto, e três citações.

Histórico

Em 1978 o Nobel de Medicina foi concedido a Werner Arber, Daniel Nathans e Hamilton O. Smith pela descoberta da enzima de restrição e sua aplicação aos problemas de genética molecular. Em um comentário editorial no jornal Gene, Wacław Szybalski escreveu: "O trabalho em nucleases de restrição não somente permite-nos construir facilmente moléculas de ADN recombinante e analisar genes individuais, mas também nos leva para a nova era da biologia sintética, onde não somente genes existentes são descritos e analisados, mas também novos arranjos de genes podem ser construídos e avaliados".

Biologia Sintética

A expressão biologia sintética tem sido utilizada para descrever uma abordagem da biologia que tenta integrar diferentes áreas similares de pesquisa. Mais recentemente, o termo tem sido utilizado de uma forma diferente, assinalando uma nova área de pesquisa que combina biologia e engenharia para projetar e construir novas funções e sistemas biológicos. Aquele primeiro objetivo está cada vez mais sendo associado com a área de biologia sistêmica.

Classificação

O filo Platyhelminthes encontra-se dividido em algumas classes. São elas, Turbellaria, Trematoda, Cestoda e Monogenea.

Os turbelários são platelmintos de vida livre. Seu principal representante é a planária.

Os trematódeos, monogêneos e cestoides são vermes que parasitam o organismo humano ou de animais. Podem ser agrupados em ectoparasitas ou endoparasitas.

Após a realização de pesquisas, foi determinado, em consenso, que os trematódeos representam as classes Trematoda e Monogenea.

Existem cerca de 4.500 espécies de turbelários, 9.000 de trematódeos e 5.000 de cestoides.

Ecologia

Várias doenças que atingem os seres humanos e animais são causadas por platelmintos parasitários. 

O Schistosoma mansoni causa a esquistossomose. Apresenta-se como parasita das veias do fígado e do intestino, onde seu desenvolvimento é indireto e apresenta o homem como hospedeiro definitivo e caramujos do gênero Biomphalaria como hospedeiro intermediário. A fêmea põe ovos no hospedeiro definitivo, que saem com as fezes. Na água estes ovos dão origem aos miracídeos que penetram nos caramujos e geram em esporocistos, que se reproduzem originando as larvas cercarias. Estas saem do caramujo e contaminam o homem que entra em contato direto com a água contaminada.

A classe Cestoda, com os representantes Taenia solium e Taenia Saginata parasitam o homem, o porco – a Taenia solium, e o boi – a Taenia saginata. As tênias adultas se aderem à parede do intestino delgado humano e se reproduzem. As proglótides fecundadas são eliminadas com as fezes. Bovinos ou suínos contaminam-se ingerindo alimento contaminado por ovos ou proglotes do parasita. A larva penetra pela parede intestinal e migra para a musculatura, pela corrente sanguínea. Na musculatura a larva se desenvolve em cisticerco. O homem se infecta pela ingestão da carne crua ou mal cozida contendo cisticerco, repetindo o ciclo.

Difilobotríase é uma infecção causada por um parasita de peixes, também conhecido como tênia dos peixes. A infecção é parecida com as das tênias do porco e do boi, cuja contaminação ocorre através da ingestão de carnes de gado e porco mal cozidas. O hospedeiro definitivo é o homem, mas outros mamíferos, como cães, gatos, e ursos que comem peixe cru podem servir de hospedeiro.

Para prevenir as doenças caudadas pelos representantes da classe Cestoda e Trematoda, medidas de saneamento básico, como tratamento de água e esgoto e construção de fossas sépticas, são essenciais. Outras medidas como evitar o contato com água onde está presente o caramujo do gênero Biomphalaria e controle dos mesmos são medidas importantes para se evitar a esquistossomose. Quanto às tênias, evitar se alimentar de carne mal passada ou crua e hábitos de higiene são os mais importantes para prevenção da teníase e cisticercose.

Ciclos de Vida

Trematódeos

O trematódeo adulto do fígado geralmente vive dentro dos túbulos biliares de humanos. Este animal pode atingir vários centímetros de comprimento e em grandes números causa sérios problemas. No útero do sistema reprodutor feminino se desenvolvem em miracídios cada um abrigado dentro de sua casca do ovo original. Uma vez libertados do sistema feminino e colocados para fora com as fezes do hospedeiro, os miracídios são ingeridos pelo primeiro hospedeiro intermediário, um caramujo do gênero Parafossarulus. O miracídio ciliado natante eclode de seu ovo encapsulado no intestino do caramujo e migra para dentro da glândula digestiva. Aqui cada miracídio se torna uma forma assexuadamente ativa chamada esporocisto, dentro do qual células germinativas se tornam outra forma ainda larval chamada rédia. Elas diminuem de tamanho e deixam o caramujo, nadam livremente e entram no segundo hospedeiro intermediário a carpa dourada chinesa (Macropodus Opercularis), elas perfuram a pelo do peixe e encistam no tecido muscular como metacercárias. Se o peixe é cozido insuficientemente e então ingerido pelo ser humano as metacercárias sobrevivem e são liberadas de seus cistos pela ação das enzimas digestivas de seus hospedeiros. Uma vez acontecido isso, elas migram para dentro do tubo biliar, sofrem metamorfose em vermes jovens, maturam e completam o ciclo.

Os monogêneos são ectoparasitas de peixes ,anfibios e répteis. Seu ciclo de vida é semelhante ao dos trematódeos.

Cestoides

Esses parasitas vivem dentro do intestino delgado do hospedeiro (exemplo Taenia s.p). Quando ocorre a eliminação do proglótides grávidas da tênia adulta junto as fezes em locais onde não há saneamento básico, esses ovos vão se localizar no solo onde podem ser ingeridos por suínos (Taenia sollium) ou bovinos (Taenia saginata). Ao ingerir a carne mal cozida desses animais, o ser humano se contamina. Esses platelmintos passam a parasitar o intestino delgado humano, caracterizando um novo ciclo. Podem contaminar carne de peixes também.

Turbelários

As planárias são vermes, confinados a ambientes muito úmidos, escondendo-se embaixo de troncos e do folhiço. É um animal de hábitos noturnos, escondendo-se durante o dia para evitar a dessecação e saindo à noite para se alimentar. A dieta é baseada em outros invertebrados terrestres e rastejantes, como caracóis-de-jardim (Bradybaena similaris), minhocas (gêneros da família Enchitraeidae) e tatuzinhos-de-jardim (isópodes terrestres).

Reprodução

Turbelários

São hermafroditas e possuem fecundação cruzada (a autofecundação é rara). Os dois indivíduos que estão acasalando ficam unidos pelos poros genitais. Cada um introduz o pênis na abertura genital do outro, trocam espermatozoides e se separam. Vários óvulos são fecundados e lançados para o exterior pelo poro genital. Os zigotos possuem uma cápsula protetora e vão eclodir planárias jovens, evidenciando um desenvolvimento direto. As planárias possuem um grande poder de regeneração, e se reproduzem assexuadamente por fissão transversal. Se cortarmos uma planária em vários pedaços, cada um irá ser regenerar e dar origem a um novo indivíduo.O sistema masculino inclui um único testículo (macrostomídeos), pareados (rabdocelos),ou múltiplos (policládidos).Os testículos são geralmente drenados por tubos coletores que se unem para formar um ou dois dutos espermáticos, que frequentemente conduzem a uma área de estoque pré-copulatória ou uma vesícula seminal. Glândulas prostáticas,que suprem fluido seminal para o esperma, estão frequentemente associadas, e desembocam para dentro de uma vesícula seminal. A vesícula seminal é geralmente parte de uma câmara muscular chamada de átrio masculino, que abriga o órgão copulatório. O próprio órgão de transferência de esperma pode ser um pênis na forma de papila ou um cirro eversível, através do qual o esperma é forçado por ação muscular do átrio.O sistema reprodutor feminino é mais variável os platelmintos possuem óvulos endolécitos (óvulos com vitelo) ou ectolécitos (óvulos sem vitelo), isto é, se o verme é descrito como arcóforo ou neóforo.

Trematódeo

Possuem reprodução assexuada. Essa habilidade é importante para eles para garantir a sobrevivência, particularmente quando parceiros potenciais podem não estar nas proximidades. São hermafroditas, mas o S.mansoni é dioico . A fêmea vive numa cavidade do macho chamada canal ginecóforo. Fazem fecundação cruzada e interna. Como representante hermafrodita temos a Fasciola hepatica, que parasita o fígado de carneiros e eventualmente o ser humano.

Cestoides

São hermafroditas. Após a fecundação as proglótides cheias de ovos se desprendem e são eliminadas com as fezes. Também podem se autofertilizar. Os cestoides contém um único aparelho reprodutor masculino e um único feminino, enquanto eucestoides contém sistemas completos repetidos em cada proglótide.

Sistema Nervoso

Turbelários

Nos Turbelários o sistema nervoso apresenta-se de diversas maneiras, desde um plexo nervoso em forma de rede com somente uma concentração secundária de neurônios na cabeça a um distinto arranjo bilateral com um gânglio cerebral bem desenvolvido e cordões nervosos longitudinais conectados por comissuras transversais.

O sistema nervoso e os órgãos de sentido dos turbelários evoluíram em associação com a simetria bilateral e o movimento unidirecional. A condição mais avançada é chamada de sistema nervoso em forma de escada, que é uma apomorfia do grupo. Geralmente os grandes platelmintos apresentam uma concentração crescente de nervos periféricos em consequência da redução em número de cordões nervosos longitudinais e um acúmulo de neurônios na cabeça como um gânglio cerebral.

Há a presença de receptores táteis em grande parte da superfície do corpo com cerdas sensoriais projetadas da epiderme. Grande parte dos turbelários possui uma distinta contração de quimiorreceptores na região anterior do corpo, particularmente nos lados da cabeça.

Algumas formas, como as planárias de água doce, possuem quimiorreceptores localizados na lateral da cabeça, chamadas de aurículas. Estatocistos, que são órgãos sensoriais em forma de vesícula, são comuns em alguns turbelários como Acoela, Catenulida e Proseriata. Estas ordens são principalmente natantes e intersticiais, nas quais a orientação gravitacional não pode ser realizada através do tato. A maioria dos turbelários possui fotorreceptores na forma de ocelos. A localização dos mesmos auxilia na descoberta da direção da luz, assim como também sua intensidade.

Trematódeos e Cestoides

O sistema nervoso dos trematódeos é na “forma de escada” e muito parecido ao encontrado em muitos turbelários. O gânglio cerebral inclui dois lóbulos bem definidos conectados por uma comissura transversal dorsal. Os nervos do gânglio cerebral se desdobram anteriormente para atender a área da boca, órgãos adesivos e qualquer órgão do sentido cefálico. Nas ventosas dos trematódeos há a presença de receptores táteis na forma de cerdas e pequenos espinhos. O gânglio cerebral dos cestoides se apresenta normalmente de um anel nervoso complexo localizado no escólex. 

Circulação e Respiração

Os platelmintos não apresentam nenhuma estrutura especial para circulação ou trocas gasosas, com exceção dos canais linfáticos em alguns trematódeos. Essa restrição é diretamente ligada ao tamanho e forma. A chave para a sobrevivência com essa limitação é a manutenção de difusões pequenas.

As trocas gasosas são feitas pela epiderme, por difusão. Este tipo de respiração recebe o nome de tegumentar ou cutânea e ocorre nas espécies de vida livre, pois as parasitas fazem, normalmente respiração anaeróbia. O seu corpo ser achatado facilita a troca gasosa pela parede do corpo entre os tecidos e o ambiente em que se encontra.

Há a utilização do metabolismo anaeróbio por platelmintos endoparasitos. Ou seja, eles podem sobreviver em áreas do hospedeiro onde o oxigênio está ausente.

Excreção e Osmorregulação

Todos os animais necessitam manter a concentração das substancias dissolvidas nos seus fluídos corporais a um nível relativamente constante. Os platelmintos encontram-se presentes em ambiente de diferentes níveis de concentração. Porém, apesar dessa diferença, a maioria dos platelmintos usa o mesmo sistema para controlar a concentração de seus fluidos corporais, realizam isso por meio das células-flama. Estas células extraem do mesênquima água contendo resíduos e materiais que possam ser reutilizados, e a conduzem por meio de uma rede de túbulos coletores, revestidos de flagelo e microvilosidades. Esses túbulos conduzem estes materiais até os nefridióporos, enquanto sua microvilosidades reabsorvem os materiais reutilizáveis e a água (apenas a quantidade necessária para manter os fluidos na concentração certa). As combinações destas células-flama e túbulos condutores são chamadas de protonefrídios. Os protonefrídeos são estruturas excretoras e osmorreguladores que foram primordiais a invasão destes animais na água doce. Embora uma pequena quantidade do resíduo seja liberada pelos protonefrídios, a maior parte dos resíduos metabólicos é eliminada por difusão através da parede do corpo.

Alimentação

Turbelários

Algumas ordens são parasitas de animais marinhos como os Nemertodermatida que parasitam pepinos-do-mar. Os turbelários em sua maioria são carnívoros ou comedores de animais mortos, alimentando-se de qualquer matéria animal disponível. Alguns são herbívoros em microalgas e algumas espécies mudam de herbivoria para carnivorismo na medida em que se desenvolvem. Suas presas incluem qualquer invertebrado pequeno o suficiente para ser capturado e ingerido (por exemplo pequenos crustáceos,protistas,vermes e gastrópodes minúsculos). Planárias terrestres alimenta-se até de minhocas.

Classe Trematoda

Maioria endoparasitas com 2 ou 3 hospedeiros durante seu ciclo de vida. Se alimentam de tecidos e fluidos de seus hospedeiros ou, em alguns casos, material proveniente do intestino do hospedeiro. O alimento é levado para a boca por uma ação de bombeamento da faringe muscular, mas algumas moléculas são apanhadas pelo tegumentos através da pinocitose.

Cestoides

A maioria endoparasitas .Os cestoides não apresentam qualquer vestígio de uma boca ou trato digestivo, todos os nutrientes devem ser levados para dentro do corpo pelo tegumento. A captação ocorre através de pinocitose e por difusão pela área de superfície aumentada pelo microtriquios. Também dizem que a superfície do escólex pode absorver fluidos do tecido hospedeiro pelo local de fixação da parede do intestino.

Características Gerais

Platyhelminthes são animais parasitas ou de vida livre. Apresentam simetria bilateral e três camadas principais de células (triblásticos). Ao contrário de outros bilatérios, os platelmintos não apresentam cavidades internas do corpo, por isso, são descritos como acelomados. Não apresentam sistemas circulatório e respiratório especializados. Os corpos desses animais são, em geral, achatados dorsoventralmente, moles e não segmentados.

O tamanho limitado dos platelmintos deve-se a ausência de sistemas circulatório e respiratório completos. Sua forma achatada permite que as trocas gasosas ocorram, por difusão simples, através da pele. Apresentam espécies microscópicas e macroscópicas. Os intestinos das grandes espécies apresentam uma série ramificações, de maneira que os nutrientes podem difundir-se para todas as partes do corpo do animal. Devido ao fato de realizarem a respiração através de toda a superfície corpórea, tornam-se extremamente vulneráveis à perda de liquido. Desta forma, estão restringidos a ambientes úmidos, podendo ser encontrados em mares, locais de água doce, regiões terrestres úmidas ou parasitando interiores de outros animais.

Nos platelmintos não parasitas, a epiderme apresenta cílios, relacionados com a locomoção. Já nos parasitas, há a presença de um cutícula, conferindo-lhe resistência à ação dos sucos gástricos. O espaço entre a pele e o intestino é preenchido com mesênquima, tecido conjuntivo reforçado por fibras colágenas que atuam como esqueleto, proporcionando a sustentação dos músculos, e onde se encontram todos os órgãos internos. Este tecido permite a passagem de oxigênio, nutrientes e produtos residuais. É constituído por dois tipos celulares, células fixas e células-tronco. Estas estão relacionadas com a regeneração de tecido após lesões ou reprodução assexuada.

A excreção nos platelmintos ocorre por meio de estruturas especializadas, os protonefrídios.

Em todos os platelmintos o sistema nervoso concentra-se na extremidade da cabeça. Apresentam um gânglio cerebral anterior e, geralmente, cordões nervosos longitudinais conectados por comissuras transversais.

A reprodução nos platelmintos ocorre de forma variada entre as espécies. Os pertencentes à classe Turbellaria são hermafroditas simultâneos, apresentando fecundação interna. As planárias, por exemplo, realizam fecundação cruzada, havendo, portanto, a necessidade de um parceiro, porém também pode se reproduzir de forma assexuada por meio da fragmentação de partes do corpo. Já os animas das classes Trematoda e Cestoda, possuem o corpo formado em proglótides. Em cada estrutura dessas há a presença de um órgão reprodutor masculino e outro feminino. Assim, a reprodução pode acontecer por autofecundação na mesma proglótide ou entre proglótides diferentes.

Platelmintos

Os platelmintos são animais pertencentes ao filo Platyhelmintes, inclui aproximadamente 20.000 espécies viventes. Incluem formas livres e parasitárias (ectoparasitos ou endoparasitos), mas seus representantes livres são apenas encontrados na classe Turbellaria. Todos os membros das classes Monogenea, Trematoda e Cestoda são parasitas.

Os Platyhelmintes caracterizam-se por apresentarem uma extremidade anterior aos órgãos sensitivos e de fixação e uma extremidade posterior. São acelomados, ausência de ânus e aparelho respiratório, podem ou não apresentar tubo digestivo, têm sistema excretor tipo protonefrídico e possuem suas cavidades, entre órgãos, preenchidas por tecido conjuntivo. Platelmintos são organismos protostômicos, triploblásticos, achatados dorsoventralmente e os primeiros animais na escala evolutiva a apresentarem segmentação corporal.

Platelmintos de vida livre são principalmente predadores e vivem na água ou em ambientes terrestres úmidos sombreados. Os cestódeos e os trematódeos têm ciclos de vida complexos. Quando adultos, vivem parasitando o sistema digestivo de peixes ou vertebrados terrestres. Na fase intermediária infestam hospedeiros secundários. Ao contrário dos outros grupos, os monogênicos são parasitas externos que infectam animais aquáticos.

Devido ao fato de não apresentarem cavidades internas do corpo, os platelmintos foram considerados como um estágio primitivo na evolução dos bilatérios. Os platelmintos foram redefinidos em dois subgrupos monofiléticos, Catenulida e Rhabditophora, com Cestoda, Trematoda e Monogenea formando um subgrupo monofilético dentro de um ramo da Rhabditophora. Sendo assim, os turbelários formam, portanto, um grupo parafilético.

As espécies parasitas de platelmintos fazem, em sua maioria, um mal enorme para os seres humanos e animais. A esquistossomose, causada por platelmintos do gênero Schistosoma, é a segunda doença humana causada por parasitas mais devastadora de todas, superada apenas pela malária. A neurocisticercose, que surge quando larvas da Taenia solium entram no sistema nervoso central, é a principal causa de epilepsia adquirida em todo o mundo. A infestação por esses parasitas ocorre, principalmente, pela ingestão de alimentos mal cozidos, águas contaminadas e condições baixas de higiene.

Filo Platyhelminthes

O filo Platyhelminthes reúne animais com corpo achatado, dorso-ventralmente, e vivem em água doce ou salgada, em ambientes de terra firme úmidos ou no interior de outros animais, como parasitas. As formas de vida livre, aquáticas ou terrestres, são as populares planárias; os platelmintos parasitas mais conhecidos são as tênias e os esquistossomos.

Sumário

A evolução explica a variedade de espécies biológicas e é o resultado de dois mecanismos básicos:

• Há variação genética dentro de uma população.
• Alguns descendentes, por acaso, tem características que permite que eles sobrevivam e tenham mais sucesso que os outros. Os descendentes que sobrevivem também terão maior probabilidade de deixar descendência. Algumas destas características beneficiais serão então passadas às novas gerações.

A evolução não é um processo aleatório para criar novas formas de vida. As mutações são (em parte) aleatórias, mas a seleção está longe de ser aleatória. Por isso, a evolução é o resultado inevitável de máquinas auto-replicadoras, que se copiam imperfeitamente e que se reproduzem durante milhares de milhão de anos sobre a pressão selectiva do ambiente.

A ideia pode ser difícil de compreender na totalidade, e por isso há muitas concepções falsas sobre evolução, e por uma razão ou outra algumas pessoas levantam objecções à evolução. De facto, a teoria de evolução é suportado por uma quantidade enorme de evidências:

• A evolução já foi observada em laboratório.
• Animais domésticos evolvem à medida que nós os reproduzimos selectivamente por causa de certas caractrísticas.

A evolução é uma das teorias científicas mais bem sucedidas de sempre e universalmente aceite em todos os campos da biologia. Todos as ciências biológicas e muito da medicina implicam uma compreensão da evolução.

Perspectivas diferentes sobre o mecanismo de evolução

A teoria da evolução é aceite na generalidade da comunidade científica, servindo como ligação de todas as áreas especializadas da biologia. A evolução fornece ao campo da biologia uma base científcia sólida. Ninguém descreveu melhor a significância da teoria evolutiva do que Theodosius Dobzhansky (1900-1975) com o título do seu artigo "Nothing in Biology Makes Sense Except in the Light of Evolution" (Nada faz sentido em biologia excepto à luz da evolução).

No entanto, a teoria da evolução não é estática. De facto, há muita discussão na comunidade científica em relação aos mecanismos responsáveis pelo processo evolutivo. Por exemplo, a taxa a que a evolução ocorre ainda é assunto de debate. Para além disso, a unidade primária da mudanças evolutiva, o organismo ou os genes, ainda não é consensual.

Taxa de mudança

Em relação à taxa de mudança evolutiva existem duas perspectivas. Darwin e os seus contemporâneos viam a evolução como um processo lento e gradual. Árvores evolutivas são baseadas na ideia que diferenças profundas nas espécies são o resultado da muitas pequenas mudanças que se acumularam durante longos períodos.

A visão que a evolução é gradual tem por base o trabalho do geólogo James Hutton (1726-1797) e a sua teoria é chamada "gradualismo". A teoria de Hutton sugere que mudanças geológicas profundas são o resultado cumulativo de processos contínuos e lentos. Uma perspectiva semelhante foi adoptada em relação a mudanças biológicas. Tal visão falha quando tenta explicar o registo fóssil, que mostra espécies novas a aparecer de repente, e depois persistindo durante longos períodos. O paleontólogo Stephen Jay Gould (1940-2002) desenvolveu um modelo juntamente com Niles Eldredge que sugere que a evolução experiencia períodos de mudanças rápidas alternando com períodos de estabilidade relativa, um modelo chamado "equilíbrio pontuado".

Unidade de mudança

Entre os biólogos, é geralmente aceite que a unidade da seleção é o organismo, e que a seleção natural serve para quer melhorar ou reduzir o potencial reprodutivo de um indivíduo. O sucesso reprodutivo, por isso, pode ser medido pela quantidade de descendentes de um organismo que sobrevivem. Esta visão tem sido contestada por alguns biólogos, assim como por alguns filósofos. Richard Dawkins, por exemplo, propôs mudar-se de perspectiva e olhar a evolução do ponto de vista dos genes, e ver a seleção natural como se estivesse a selecionar genes, além de selecionar organismos. No seu livro, O Gene Egoísta, ele explica:

Indivíduos não são estáveis, são fugazes. Os cromossomas também são misturados até perderem a identidade, como baralhos a seguir a serem dadas as cartas. Mas as cartas em si sobrevivem o baralhar. As cartas são os genes. Os genes não são destruídos pelo "crossing-over"; meramente mudam de parceiros e continuam. Claro que continuam. É esse o seu negócio. Eles são os replicadores e eles são as máquinas de sobrevivência. Quando nós tivermos servido o nosso propósito somos postos de lado. Mas os genes são donos do tempo geológico: os genes são eternos.

Outros viram a seleção a atuar em muitos níveis, não apenas ao nível de organismo ou do gene; por exemplo, Stephen Jay Gould recomendou que se tivesse uma perspectiva hierárquica sobre a evolução .

Espécies

Dadas certas circunstâncias, e tempo suficiente, a evolução leva à emergência de novas espécies. Cientistas têm debatido muito para encontrar uma definição precisa e completa de espécie. Ernst Mayr (1904-2005) definiu uma espécie como sendo uma população ou grupo de populações cujos membros tem o potencial de se reproduzir naturalmente entre si produzindo descendentes férteis e viáveis. Além disso, os membros de uma espécie não podem produzir descendentes férteis e viáveis com membros de outras espécies. A definição de Mayr ganhou aceitação geral entre os biólogos, mas não pode ser aplicada a organismos como as bactérias, que se reproduzem sem sexo.

Especiação é o evento de separação de linhagens que resulta em duas espécies separadas formadas a partir de uma população ancestral comum. O modo mais bem aceite de especiação é o da especiação alopátrica. Esta requer a separação geográfica de uma população, tal como o aparecimento de uma cadeia montanhosa ou a formação de um desfiladeiro. Para a especiação ocorrer, a separação deve ser substancial, de modo a que transferências genéticas entre as duas populações seja completamente impedida. Nos seus ambientes separados, os grupos geneticamente isolados seguirão as suas próprias vias evolutivas. Cada grupo acumulará mutações diferentes assim como estará sujeita a pressões selectivas diferentes. A mudanças genéticas acumuladas poderão resultar em populações separadas que não se conseguem cruzar se se voltarem a reunir. Barreiras que previnem cruzamentos são ou prezigóticos (prevenindo o acasalamento ou a fertilização) ou pós-zigótico (barreiras que ocorrem depois da fertilização). Se os cruzamentos já não são possíveis, então elas serão consideradas espécies diferentes.

Aqueles que rejeitam a evolução como uma teoria viável, reclamam muitas vezes que a especiação nunca foi observada. Contudo, a especiação tem sido observada em vários grupos de organismos, incluindo bactérias, minhocas, insectos e peixes, assim como em vários grupos de plantas. Além disso, vários eventos de especiação passados estão registados no registo fóssil. Por exemplo, cientistas documentaram a formação de cinco novas espécies de peixes ciclídeos de um único ancestral comum que ficou isolado há menos de 4000 anos de um cardume parental no Lago Nagubago. A prova para a especiação neste caso foi a morfologia (aparência física) e a ausência de cruzamentos naturais. Estes peixes tem rituais de acasalamento complexos e uma grande variedade de colorações; as pequenas modificações introduzidas nas novas espécies mudaram o processo de seleção de parceiros e as cinco formas que surgiram não conseguiam ser convencidas para se reproduzir.

Barreiras à reprodução entre espécies

Barreiras reprodutivas que impedem os cruzamentos entre espécies podem ser classificados como barreiras pré- ou pós-zigóticas .

Barreiras que previnem a fertilização

Barreiras pré-zigóticas previnem o acasalamento entre espécies ou previnem a fertilização do óvulo se as espécies tentarem acasalar.

Alguns exemplos são:

• Isolamento temporal - Acontece quando as espécies acasalam em alturas diferentes. Populações da doninha Spilogale gracilis estão sobrepostas às de outra doninha Spilogale putorius, no entanto permanecem separadas porque a primeira acasala no Verão e a segunda no fim do Inverno.
• Isolamento comportamental - Sinais que provocam uma resposta de acasalamento podem ser suficientemente diferentes para prevenir um desejo de se cruzarem. Os sinais de luz rítmicos dos machos de pirilampo é específico de cada espécies e por isso serve como barreira pré-zigótica.
• Isolamento mecânico - Diferenças anatômicas nas estruturas reprodutoras pode prevenir os cruzamentos. Isto é especialmente verdade em plantas com flor que evoluíram estruturas específicas adaptadas a certos polinizadores. Barreiras mecânicas muitas vezes contribuem para o isolamento reprodutivo de flores que são polinizados por insectos. Isto tem sido bem documentado na família das orquídeas.
• Isolamento gamético - Os gâmetas das duas espécies são quimicamente incompatíveis, prevenindo assim a fertilização. O reconhecimento dos gâmetas pode ser baseado em moléculas específicas na superfície do óvulo que se liga apenas a moléculas complementares do espermatozóide. Tais mecanismos são comuns em espécies de peixe.
• Isolamento geográfico/de habitat - Geográfico: As duas espécies estão separadas por barreiras físicas de larga escala, tais como montanhas ou corpos de água largos, e por isso não é possível encontrarem-se. Isto é ilustrado em duas espécies separadas de esquilo do gênero Ammospermophilus, que habitam em lados opostos do Grand Canyon. Habitat: AS duas espécies preferem habitats diferentes, apesar de viverem na mesma área geral, e por isso não se encontram uma à outra. Por exemplo, duas espécies de cobra do gênero Tamnophis existem na mesma área, mas uma prefere a água enquanto a outra prefere terra firme.
  

Barreiras que atuam depois da fertilização

Barreiras pos-zigóticas ocorrem depois da formação de um zigoto híbrido que ou não é viável ou não é fértil. Isto é tipicamente o resultado de cromossomas incompatíveis no zigoto. Alguns exemplos incluem:

• Viabilidade reduzida dos híbridos - Uma barreira entre espécies acontece depois da formação do zigoto, resultando no desenvolvimento incompleto ou morte dos descendentes.
• Fertilidade reduzida dos híbridos - Mesmo que duas espécies acasalem com sucesso, os filhos que produzem podem ser inférteis. Cruzamentos entre espécies de cavalos do gênero Equus tendem a produzir descendentes viáveis mas inférteis. Por exemplo, cruzamentos de zebra com cavalo ou zebra com burro produzem híbridos estéreis. Raramente, uma mula fêmea pode ser fértil.

Genética populacional

Algumas definições

De um ponto de vista genético, a evolução é uma mudança que vai ocorrendo de geração-em-geração nas frequências dos alelos presentes numa população pertencente ao mesmo "pool genético". A população é um grupo localizado de indivíduos pertencentes à mesma espécie. Por exemplo, todas as traças da mesma espécie que vivem numa floresta isolada são uma população. Um "alelo" é uma forma específica de um gene; por exemplo, um gene para a coloração nas traças pode ter dois alelos, preto e branco. Um pool genético é o conjunto completo de alelos de uma população. Cada alelo existe um certo número de vezes no pool genético. A fracção de genes que pertence a um dado alelo é a frequência alélica. Por isso, se metade dos genes para a cor do corpo numa população de traças forem genes par corpo preto, então a frequência alélica do alelo corpo-preto é 0,50 ou 50%. A evolução ocorre quando há mudanças na frequência dos alelos dentro de uma população de organismos que se reproduzem entre si.

Equilíbrio de Hardy-Weinberg

O "princípio de Hardy-Weinberg" afirma que as frequências dos alelos numa população suficientemente grandes permanecerá constante (isto é, não evoluirá) se as únicas forças que atuarem numa população forem:

1. reordenação aleatória dos alelos durante a formação dos gâmetas, tais como espermatozoides e óvulos.
2. combinação aleatória dos genes nas células sexuais durante a fertilização, o processo pelo qual óvulo e espermatozoide se combinam para formar uma nova célula.

Uma população em que as frequências dos alelos fica constante "não" está a experienciar evolução.

Exemplos

Suponha um grupo de ratos que habitam um celeiro. Nesta população, há apenas duas versões do gene que controlam a cor do pêlo. Um alelo produz pelo preto e contabiliza 75% dos genes, a outra versão produz pelo branco e soma os restantes 25% de genes. Se a hipótese de um alelo de ser passado para a próxima geração é determinada por processos aleatórios (a reordenação e a combinação que se passam durante a formação das células sexuais e a fertilização), as frequências alélicas ficarão as mesmas e a composição do pool genético permanecerá 75% de genes que codificam preto e 25% de genes que codificam branco. Uma vez que não há mudança das frequências alélicas, não há mudança evolutiva na cor do pêlo. Esta população está em "equilíbrio de Hardy-Weinberg" ou não está a evoluir.

É muito raro que as populações naturais não experienciem mudanças da frequências dos alelos de geração para geração. Por isso, as frequências alélicas num pool genético estão normalmente em mudança, resultante da evolução de populações ao longo de sucessivas gerações. Várias forças podem mudar a composição de um pool genético:

• Mudanças de alelos entre membros de populações diferentes. Mudanças ocorrem quando membros novos se juntam à população ou outros a deixam. Este tipo de migrações entre populações chama-se fluxo gênico. Exemplo hipotético: Um grupo de traças pretas são arrastadas pelo vento para perto de uma floresta vizinha aumentando a frequência do alelo preto numa população previamente isolada.
• Mutações podem criar novos alelos e assim mudar a frequência de alelos pré-existentes. As mutações imediatamente mudam o pool genético ao substituir um alelo por outro. Mutações tem pouco impacto imediato na frequência alélica geral de uma população grande. Exemplo hipotético: Uma traça passa um alelo para a cor castanha à sua descendência resultante de uma mutação em uma das suas células sexuais.
• Preferência para um qualquer alelo em particular durante a seleção de um parceiro. Exemplo hipotético: Traças fêmeas preferirem acasalar com machos pretos, resultando numa maior proporção de alelos pretos na próxima geração.
• A seleção natural pode reduzir ou aumentar a frequência de um alelo específico num pool genético. As probabilidades que cada alelo tem de sobreviver e reproduzir-se devem ser iguais para a frequência dos alelos se manter igual. Exemplo hipotético: As traças vivem numa árvore com casca clara. Como resultado, as traças pretas tem maior probabilidade de serem comidas por predadores.

Populações pequenas são mais susceptíveis a sofrer flutuações aleatórias do número de indivíduos, uma condição conhecida como deriva genética. Duas situações comuns podem surgir que poderão afetar a composição genética de uma população pequena como resultado da deriva genética.

• A primeira situação que pode levar à deriva genética é o Efeito de Gargalo. Este ocorre porque eventos fortuitos aleatórios, tais como fogos ou cheias, reduzem significativamente o número de indivíduos numa população. Os restantes membros podem não representar exatamente o pool genético original. Exemplo hipotético: Um incêndio destrói a maior parte da floresta, matando todas menos 10 traças. A população originalmente era quase exclusivamente branca, mas como resultado deste evento aleatório, as 10 traças sobreviventes são todas pretas.
• A segunda situação que pode levar à deriva genética é o Efeito Fundador. Este ocorre quando um pequeno número de indivíduos coloniza um habitat novo. Quanto mais pequena a comitiva fundadora, mais improvável é que o seu pool genético represente o pool genético da população original. Exemplo hipotético: Cinco traças pretas de uma população predominantemente branca são transportadas para uma floresta diferente, onde são as primeiras traças a habitar aquela floresta. A população resultante não irá exibir a mesma distribuição alélica que a população de onde elas vieram.

Evidências a favor da evolução

Evidências descobertas pela ciência a favor da evolução incluem fósseis, estruturas homólogas, e semelhanças a nível molecular entre o DNA das espécies.

O registo fóssil

Investigação no campo da paleontologia, o estudo dos fósseis, apoia a ideia que todas as criaturas vivas são aparentadas. Os fósseis fornecem provas que mudanças nos organismos acumuladas durantes longos períodos de tempo (milhões de anos) levaram à diversidade de formas de vida que vemos hoje. Um fóssil por si revela a estrutura do organismo e a relação entre espécies atuais e extintas, permitindo aos paleontologistas construir a árvore genealógica de todas as formas de vida da Terra.

A paleontologia moderna começou com o trabalho de Georges Cuvier (1769-1832). Cuvier notou que, em rochas sedimentares, cada camada contém um grupo específico de fósseis. As camadas mais profundas, que ele conjecturou serem mais velhas, continham formas de vida mais simples. Ele também notou que várias formas de vida já não existem actualmente. Cuvier propôs o conceito de "catastrofismo", que explica o registo fóssil em luz da visão teológica do seu tempo. O catastrofismo proponha que catástrofes teriam ocorrido em algumas áreas ao longo da história da Terra. Estas áreas seriam depois repovoadas por espécies que migravam de locais vizinhos. 

Atualmente, muitos fósseis foram já descobertos e identificados. Estes fósseis servem como um registo cronológico da evolução. O registo fóssil também apresenta exemplos de espécies de transição que demostram ligações ancestrais entre formas de vida atuais e passadas. Um desses fósseis de transição é a ‘’Archaeopteryx’’, uma criatura antiga que possuia as características típicas de um reptil, mas no entanto possuia também penas semelhantas às aves. A consequência desta descoberta é que os répteis e as aves atuais originaram de um ancestral comum.

    

                                           Anatomia comparada

Taxonomia

Taxonomia é o ramo da biologia que dá nomes e classifica todas as coisas vivas. Os cientistas usam semelhanças morfológicas e genéticas para os ajudarem a categorizar as formas de vida baseada em relações ancestrais. Por exemplo, orangotangos, gorilas, chimpanzés e humanos pertencem todos ao mesmo grupo taxonómico denominado família – neste caso a família chama-se Hominidae. Estes animais estão agrupados por causa de semelhanças na morfologia que derivam de ancestrais comum (as chamadas "homologias").

Fortes evidências a favor da evolução provêm da análise de estruturas "homólogas" em espécies diferentes que já não realizam a mesma tarefa. Um exemplo é o antebraço de mamíferos. O antebraço dos humanos, gatos, baleias e morcegos tem todos estruturas ósseas marcadamente semelhantes. No entanto, cada um dos antebraços destas quatro espécies realiza uma tarefa diferente. Os mesmos ossos que formam as asas de uma ave, que são usadas para voar, também formam as barbatanas duma baleia, que são usadas para nadar. Tal "design" faz pouco sentido se as estruturas não estão relacionadas e construídas separadamente para aquela função particular. A teoria da evolução explica estas estruturas homólogas: todos os quatro animais partilham um ancestral comum, e cada um sofreu alterações ao longo de muitas gerações. Estas mudanças de estrutura produziram ante-braços adaptados a tarefas diferentes. Darwin descreveu estas mudanças de morfologia como "descendência com modificação"

Embriologia

Em alguns casos, a comparação de estruturas anatômicas nos embriões de duas ou mais espécies demonstra a existência de um ancestral comum que não era óbvio na comparação entre formas adultas. Tais homologias podem ter sido perdidas ou adquirido funções diferentes à medida que o embrião se desenvolve. Por exemplo, parte da base da classificação do grupo dos Vertebrados (que inclui os humanos), é a presença de uma cauda (que se estende depois do ânus) e fendas branquiais na faringe; ambos aparecem durante algum estádio de desenvolvimento mas não são sempre óbvios na forma adulta. Nos humanos, por exemplo, a fendas branquiais desenvolvem-se na trompa de Eustáquio e a cauda degenera durante o desenvolvimento embrionário.

Devido às semelhanças morfológicas presentes nos embriões de diferentes espécies durante o desenvolvimento, chegou-se a assumir que os organismos recapitulavam a sua história evolutiva como embriões – por exemplo, embriões humanos passariam por uma fase anfíbia e depois réptil antes de completar o seu desenvolvimento como adultos. Tal recapitulação, resumida por "a ontogenia recapitula a filogenia", não é apoiada por nenhuma evidência científica. O que acontece de facto é que as primeiras fases são semelhantes em vários grupos de organismos. Por exemplo, uma bola oca de células nos animais, que depois se diferencia. Nas fases inicial, por exemplo, todos os vertebrados são extremamente semelhantes, mas não se assemelham exactamente com nenhuma espécie ancestral. Assim que o desenvolvimento progride, cada vez mais características típicas da espécie emergem do padrão básico.

Estruturas vestigiais

Homologia também inclui um grupo único de estruturas partilhadas denominadas "estruturas vestigiais". "Vestigial" refere-se a partes anatómicas que têm utilidade miníma, se é que tem alguma, para os animais que as possuem. Estas estruturas aparentemente ilógicas são resquícios de órgãos que desempenhavam um papel importante nas formas ancestrais. Por exemplo, as baleias ainda possuem pequenos ossos da perna vestigiais que parecem ser o que resta das pernas que os seus antecessores usavam para andar em terra.

O Homem também têm muitos órgãos vestigiais, incluindo músculos da orelha, os dentes do siso, o apêndice, os ossos da cauda e pelos do corpo.

Evolução convergente

No entanto, comparações anatómicas podem ser enganadoras; nem todas as semelhanças anatómicas indicam uma relação próxima. Organismos que partilham ambientes semelhantes podem desenvolver características físicas semelhantes; um processo chamado de "evolução convergente". Por exemplo, a forma do corpo dos tubarões e dos golfinhos é muito semelhante, no entanto, os dois animais só são vagamente aparentados – os tubarões são peixes e os golfinhos são mamíferos. Estas semalhanças resultam de as duas poulações terem sido submetidas à mesma pressão selectiva. Dentro de ambos os grupos, mudanças que beneficiavam a natação teriam sido favorecidas. Assim, ao longo do tempo, elas desenvolveram morfologias semelhantes, apesar de não serem muito aparentadas.

Seleção artificial

Seleção artificial é o cruzamento controlado de plantas e animais domésticos. Quando a reprodução é controlada, os seres humanos podem determinar que animais se reproduzem, e até certo ponto, que alelos passarão para as gerações futuras. O processo de seleção artificial tem tido um impacto significativo na evolução dos animais domésticos. Por exemplo, as pessoas produziram diferentes raças de cães através de cruzamentos controlados. As diferenças entre a raça Chihuahua e Dogue alemão resultam de seleção artificial. Apesar do aspecto físico ser completamente diferente, elas e todas as outras raças de cães evoluíram a partir de uns poucos lobos que foram domesticados no que é agora a China há menos de 15 000 anos.

Darwin obteve muito do seu apoio para a seleção natural da observação dos resultados da seleção artificial. Muito do seu livro "A Origem das Espécies" foi baseado nas suas observações da diversidade de pombos domésticos que provenientes da seleção artificial. Darwin propôs que se o Homem consegue, em períodos pequenos, alcançar mudanças dramáticas em plantas e animais domésticos, então a seleção natural, tendo milhões de anos para operar, pode produzir as diferenças observadas entre todas as coisas vivas de agora. De facto, não há diferença entre os processos genéticos subjacentes à seleção artificial e natural. Tal com na seleção natural, as variações resultam de mutações aleatórias; a única diferença é que na seleção artificial, os seres humanos selecionam quais dos organismos poderão reproduzir-se.

Biologia molecular

Todos os organismos vivos possuem moléculas de DNA, RNA e proteínas. Se dois organismos são parentes próximos, estas moléculas serão muito semelhantes. Por outro lado, quanto mais distante for a relação entre eles, mais diferenças moleculares terão. Por exemplo, dois irmão são muito próximos e terão DNA muito semelhante, enquanto que primos afastados terão mais diferenças no seu DNA. Comparando estas moléculas é extremamente útil quando se estuda espécies que são muito próximas. O grau de parentesco é demonstrado pela semelhança entre estas moléculas. Por exemplo, a comparação o DNA de chimpanzés com o de gorilas e humanos mostrou que os chimpanzés são mais parecidos no seu DNA com os humanos do que os gorilas (até 96% de semelhanças entre o DNA de humanos e chimpanzés). Isto sugere que os humanos e chimpanzés são mais aparentados do que com os gorilas.

Os cientistas deram grandes avanços na análise destas molécula, particularmente no DNA que pertence aos "genes" dos organismos. Genes são pedaços de DNA que transportam informação e influenciam as propriedades de um organismo. Por exemplo, os seus genes decidem a sua aparência geral e a cor dos seus cabelos e dos seus olhos – porque parentes próximos tem genes semelhantes, tendem a ser parecidos. A forma exata dos genes num organismo chama-se "genótipo" e é este conjunto de genes que influencia as propriedades (ou "fenótipo") de um organismo.O campo da sistemática molecular concentra-se na medida das semelhanças nestas moléculas e em usar esta informação para perceber como os organismos estão relacionados pela evolução. Estas comparações tem permitido aos biólogos construir uma "árvore genealógica" da evolução da vida na Terra. Inclusivamente, é possível desvendar as relações entre organismos cujos antepassados comuns viveram há tanto tempo que a aparência dos organismos já não apresentam qualquer semelhança.

Co-evolução

Co-evolução é o processo pelo qual duas ou mais espécies influenciam a evolução uns dos outros. Todos os organismos são influenciados pela vida à sua volta; contudo, em algumas espécies há evidência que que atributos determinados geneticamente em cada uma das espécies resulta da interação entre dois organismos; co-evoluíram.

Um exemplo muito bem documentado é a da co-evolução entre ‘’Pseudomyrmex’’, uma espécie de formiga, e a acácia, a planta que a formiga usa como abrigo e alimento. A relação entre os dois é tão íntima que levou à evolução de estruturas especiais e comportamentais em ambos os organismos. A formiga defende a acácia contra herbívoros e limpa o chão da floresta de sementes de plantas competidoras. Em resposta, as plantas evoluíram espinhos inchados que as formigas usam com abrigo e partes das flores especiais que as formigas comem.Esta co-evolução não implica que as formigas e a árvore escolheram comportar-se de um modo altruísta. Ao longo da vida de uma população, pequenas mudanças genéticas quer na árvore quer nas formigas beneficiaram ambas e o benefício aumentou um pouco a probabilidade de que a característica passe para a geração seguinte, onde deu às colônias de formigas e às árvores, cada vez mais interdependentes, uma maior hipótese de sobrevivência. Com o passar do tempo, mutações sucessivas criaram a relação que vemos hoje.

A contribuição de Mendel: hereditariedade

A teoria da seleção natural de Darwin lançou a fundação para a teoria evolutiva moderna. No entanto, faltava uma explicação adequada para a fonte de variação nas populações. Como muitos dos seus antecessores, Darwin deduziu incorretamente que as características hereditárias eram produto do ambiente, assumindo que as características adquiridas durante a vida de um organismo podem ser passadas à descendência (por exemplo, girafas esticam-se para alcançar folhas nos ramos mais altos e dão origem a descendentes com pescoços mais compridos). Este conceito errado (da herança dos caracteres adquiridos) ficou conhecido como Lamarckismo, em honra de um dos seus principais proponentes, Jean Baptiste Lamarck (1744–1829). Contudo, a sugestão que estruturas corporais usadas frequentemente tornam-se mais desenvolvidas, enquanto que estruturas não usadas deterioram-se, não é suportada por qualquer evidências.

A informação em falta necessária para explicar o surgimento de novas características em descendentes foi fornecido pelo trabalho pioneiro em genética de Gregor Mendel (1822–1884). As experiências de Mendel em cruzamentos de ervilheiras demonstraram que a hereditariedade funciona baralhando e recombinando "factores" (o que agora conhecemos como genes) durante a reprodução sexual. Os genes são as unidades básicas de hereditariedade nos seres vivos. Eles contêm a informação biológica que dirige o desenvolvimento físico e o comportamento do organismo.  É este baralhar do código genético que assegura que não há dois indivíduos que sejam cópias exatas um do outro. A fusão da teoria de Darwin com a compreensão da hereditariedade levou a uma compreensão clara dos mecanismos que provocam evolução.