sexta-feira, 14 de setembro de 2012

Evolução do Olho: Evo-Devo


Neste texto é apresentada uma reportagem para a Scientific American Brasil, pelo Dr.

 

“(…) O olho do peixebruxa pode ter permanecido num estado rudimentar (…); assim, sua estrutura atual representaria a arquitetura de um estágio evolutivo anterior.

Ao observar melhor a retina do animal podem surgir suposições sobre o papel do olho. Na retina normal, de três camadas dos vertebrados, as células da camada média, conhecidas como bipolares, processam informações dos fotorreceptores e transmitem os resultados para os neurônios de saída, cujos sinais viajam até o cérebro para interpretação. Mas a retina de duas camadas do peixe-bruxa carece de células bipolares intermediárias, ou seja, os fotorreceptores conectam-se diretamente com os neurônios de saída. Nesse sentido, o sistema nervoso da retina do peixe-bruxa assemelha-se ao da glândula pineal − pequeno corpo secretor de hormonas do cérebro de vertebrados. A glândula pineal modula o ritmo circadiano e, nos vertebrados não mamíferos, contém células fotorreceptoras que se conectam diretamente com os neurônios de saída, sem células intermediárias; em mamíferos, essas células perderam a capacidade de detectar luz.

Em 2007, parcialmente fundamentados por esse paralelo com a glândula pineal, os meus colaboradores e eu propusemos que o olho do peixe-bruxa não está envolvido na visão, mas fornece informações à parte do cérebro do animal que regula o essencial ritmo circadiano, além de atividades sazonais como alimentação e reprodução. Assim, talvez, o olho ancestral dos protovertebrados que viveram entre 550 milhões ou 500 milhões de anos, primeiro serviu como um órgão não visual, e só mais tarde o poder de processamento neural e os componentes ópticos e motores necessários
para a visão espacial evoluíram.

Estudos de desenvolvimento embriológico do olho dos vertebrados apoiam essa hipótese. Quando a lampreia está na fase larval, vive em leito de riachos e é cega. Nesse estágio de vida, o olho assemelha-se ao do peixe-bruxa, com estrutura simples, soba pele. Quando a larva sofre metamorfose, o olho rudimentar cresce substancialmente, desenvolve uma retina de três camadas, cristalino, córnea e músculos de apoio. Depois, o órgão emerge na superfície como o olho tipo câmera dos vertebrados mandibulados. Muitos aspectos do desenvolvimento de um indivíduo espelham eventos que ocorreram durante a evolução de seus antepassados, assim podemos, com cautela, usar o desenvolvimento do olho da lampreia para relatar a nossa reconstrução de como o olho evoluiu.

 
Cicatrizes da Evolução - O olho dos vertebrados, longe de ser concebido de forma inteligente, contém inúmeros defeitos que atestam a sua origem evolutiva. Entre os defeitos que degradam a qualidade da imagem, estão uma retina invertida, que força a luz a atravessar corpos celulares e fibras nervosas antes de atingir os fotorreceptores 1 ; vasos sanguíneos que se espalham pela superfície interna da retina, provocando sombras indesejadas 2 ; fibras nervosas que se juntam, projetam-se numa abertura única na retina e viram o nervo óptico, criando um ponto cego 3 .

O sistema ocular dos mamíferos também apresenta indícios intrigantes de sua origem evolutiva durante o desenvolvimento embrionário. Benjamin E. Reese e seus colaboradores da University of California em Santa Barbara constataram que os circuitos da retina de mamíferos começam um pouco como o dos peixes-bruxa, , com os fotorreceptores conectando-se diretamente com os neurônios de saída. Então, em um período de semanas, as células bipolares amadurecem e se inserem entre os fotorreceptores e os neurônios de saída. Essa sequência é exatamente o padrão de desenvolvimento esperado para confirmar se a retina de vertebrados evoluiu de um órgão de duas camadas, acrescentando poder de processamento e componentes de formação de imagens. Portanto, parece perfeitamente plausível que esse estágio inicial e simples de desenvolvimento representa o resquício de um período de evolução anterior à criação do circuito de células bipolares na retina e antes do surgimento do cristalino, córnea e músculos .

ASCENSÃO DOS RECEPTORES
enquanto estudávamos o desenvolvimento das três camadas da retina, surgiu outra questão relativa à evolução do olho. As células fotorreceptoras em todo o reino animal se distribuem em duas categorias distintas: rabdoméricas e ciliares. Até recentemente, muitos cientistas acreditavam que os invertebrados usavam as rabdoméricas, enquanto vertebrados usavam as ciliares, mas, na verdade, a questão é mais complexa. Na grande maioria dos organismos, os fotorreceptores ciliares são responsáveis pela detecção de luz para fins não visuais, como regular o ritmo circadiano, por exemplo. Em contraste, os receptores rabdoméricos detectam a luz com o propósito explícito de permitir a visão. Tanto os olhos compostos dos artrópodes quanto os olhos tipo câmera dos moluscos – como os do polvo, que evoluíram de forma independente dos olhos tipo câmera dos vertebrados – usam fotorreceptores rabdoméricos. Mas o olho dos vertebrados usa fotorreceptores ciliares para detectar a luz para a visão.

Em 2003, Detlev Arendt, do Laboratório Europeu de Biologia Molecular em Heidelberg, na Alemanha, relatou evidências de que o nosso olho ainda retém descendentes dos fotorreceptores rabdoméricos, que foram modificados para formar os neurônios de saída que enviam informações da retina para o cérebro. Essa descoberta indica que a nossa retina contém os descendentes das duas classes de fotorreceptores: as ciliares, originalmente fotorreceptoras, e as rabdoméricas, transformadas em neurônios de saída. A evolução funciona exatamente assim, pressionando uma estrutura existente para um novo propósito; a descoberta de que os fotorreceptoras ciliares e rabdoméricos desempenham papéis diferentes em nosso olho em comparação com os olhos de invertebrados acrescenta ainda mais peso à evidência de que o olho dos vertebrados foi construído num processo natural.

Para tentar entender por que os fotorreceptores ciliares triunfaram como sensores de luz na retina de vertebrados, enquanto a classe rabdomérica evoluiu para neurônios de projeção, analisei as propriedades de seus respectivos pigmentos sensíveis à luz, as rodopsinas, assim denominadas devido à molécula da proteína opsina que contêm. Em 2004, Yoshinori Shichida e seus colegas da Universidade de Kyoto, no Japão, mostraram que bem no início da evolução dos pigmentos visuais de vertebrados, ocorreu uma mudança que tornou a forma do pigmento ativada pela luz mais estável e, portanto, mais ativa. Postulei que essa mudança também bloqueou a rota de reconversão da rodopsina ativada de volta à sua forma inativa, que no caso de rodopsinas rabdoméricas requer a absorção de um segundo fóton de luz; basicamente, uma via bioquímica foi necessária para recolocar a molécula em alerta para o sinal de luz. Assim que esses dois elementos foram colocados na devida proporção, eu supus que os fotorreceptores ciliares tiveram uma vantagem distinta sobre os fotorreceptores rabdoméricos em ambientes como o oceano profundo, onde os níveis de luz são muito baixos. Então, alguns cordados primitivos (ancestrais dos vertebrados) podem ter conseguido colonizar nichos ecológicos inacessíveis a animais que dependiam de fotorreceptores rabdoméricos – não porque a opsina ciliar melhorada garantia mais visão, mas por propiciar um modo melhorado de sentir a luz, permitindo que os relógios sazonais e circadianos tenham noção de tempo.

Para esses cordados primitivos, habitantes de reinos mais escuros, os fotorreceptores rabdoméricos menos sensíveis e que dispunham, junto com os ciliares, teriam sido virtualmente inúteis e assim estariam livres para assumir um novo papel: de neurônios transmissores de sinais ao cérebro.

 

NASCE UM OLHO
Agora que os meus colegas e eu tínhamos ideia de como os componentes da retina dos vertebrados se originaram, quisemos entender como, há cerca de 500 milhões de anos, o olho evoluiu de um órgão sensor de luz não visual para esse que forma imagens. Novamente encontramos indícios em embriões em desenvolvimento. No início do desenvolvimento, a estrutura neural que dá origem ao olho se projeta em um dos lados formando dois sacos ou vesículas. Depois, as vesículas se dobram, formando uma retina em forma de C que reveste o interior do olho. Provavelmente a evolução prosseguiu de forma bem semelhante. Nossa hipótese é que um proto-olho deste tipo – com uma retina em forma de C, de duas camadas, composta de fotorreceptores ciliares no exterior e neurônios de saída oriundos de fotorreceptores rabdoméricos no interior – evoluiu em um ancestral de vertebrados entre 550 e 500 milhões de anos. Ele serviu como propulsor de um relógio interno, e talvez para ajudá-lo a detectar sombras orientar o organismo de modo apropriado.

Na etapa seguinte do desenvolvimento embrionário, enquanto a retina dobra-se para o interior, forma-se o cristalino, oriundo de um espessamento da superfície externa do embrião, ou ectoderma, que protrai no espaço curvo vazio formado pela retina em forma de C. Por fim, essa protrusão se separa do resto do ectoderma, tornando-se um elemento de livre flutuação. Parece provável que uma sequência de transformações muito semelhantes ocorreu
durante a evolução. Não sabemos exatamente quando aconteceu, mas em 1994, cientistas da Universidade de Lund, na Suécia, mostraram que os componentes ópticos do olho podem ter evoluído facilmente em 1 milhão de anos.

Com o surgimento do cristalino para captar a luz e focar imagens, a capacidade de o olho coletar informações melhorou muito. Esse progresso teria criado pressões seletivas favorecendo o surgimento de processamento de sinal melhorado na retina além do que a simples ligação de fotorreceptores para neurônios de saída oferecia. A evolução satisfez essa necessidade, modificando o processo de maturação das células para que algumas células em desenvolvimento em vez de formar fotorreceptores ciliares se tornassem células bipolares da retina que se inserem entre a camada de fotorreceptores e a de neurônios de saída. É por isso que as células bipolares da retina são tão semelhantes aos bastonetes e cones, embora não tenham rodopsina e recebam a entrada não da luz, mas da substância química liberada pelos fotorreceptores.

Embora os olhos tipo câmera proporcionem um amplo campo de visão (basicamente em torno de 180 graus), na prática nosso cérebro consegue processar apenas uma fração da informação disponível a qualquer momento devido ao número limitado de fibras nervosas que ligam o olho ao cérebro. Sem dúvida, os olhos tipo câmera primitivos enfrentaram uma limitação ainda mais séria, pois se supõe que tivessem ainda menos fibras nervosas. Assim, houve pressão seletiva considerável para a evolução dos músculos para movimentarem os olhos. Esses músculos deviam existir há 500 milhões de anos, porque a estrutura deles na lampreia, cuja linhagem remonta a essa época, é quase idêntica à dos vertebrados mandibulados , inclusive nós, seres humanos. Para todos os aspectos engenhosos da evolução ocorridas dentro do olho dos vertebrados, há vários caracteres decididamente deselegantes.

Por exemplo, a retina está invertida, então a luz tem de passar por toda a sua espessura, através das fibras nervosas intermediárias e corpos celulares que dispersam a luz e degradam a qualidade da imagem, antes de atingir os fotorreceptores sensíveis à luz. Os vasos sanguíneos também cobrem a superfície interna da retina e lançam sombras indesejáveis na camada de fotorreceptores. A retina tem um ponto cego onde fibras nervosas que passam por toda a sua superfície se reúnem antes de canalizar pela retina e surgir por trás dela como nervo óptico. (…)”

 

Vêem? Não é assim tão difícil, criacionistas.

 

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