Escrevendo no The Conversation, a pesquisadora Dra. Sandra Álvarez-Carretero (UCL Biosciences) explica como sua pesquisa oferece novos insights sobre a origem da vida na Terra.
Entender como a vida começou e evoluiu na Terra é uma questão que fascina os humanos há muito tempo, e os cientistas modernos fizeram grandes avanços quando se trata de encontrar algumas respostas. Agora, nosso estudo recente espera oferecer novos insights sobre a origem da vida na Terra.
Cerca de 375 milhões de anos atrás, nossos ancestrais semelhantes a peixes respiravam por guelras. Mais de 600 milhões de anos atrás, o ancestral comum de todos os animais surgiu – o urmetazoário microscópico. Bilhões de anos antes de tudo isso acontecer, no entanto, o ancestral comum de todos os organismos vivos, o último ancestral comum universal (Luca), deve ter existido.
Cientistas têm trabalhado na identificação de Luca ao longo das décadas com diferentes ideias sobre como Luca era. Outro ponto de discórdia é a idade de Luca. A evidência fóssil mais antiga que temos para a vida tem cerca de 3,4 bilhões de anos. Alguns estudos recuam a idade de Luca para perto do nascimento da Terra, 4,5 bilhões de anos atrás. Outros acham que isso é impossível por causa do tempo que levaria para estabelecer o código genético e a maquinaria de replicação do DNA.
Luca não foi a primeira forma de vida; foi o organismo do qual todos os organismos vivos descendem. No entanto, os cientistas acham que organismos vivos podem ter existido muito antes de Luca. Entender como era Luca e quando ele viveu é importante para nos ajudar a descobrir como a vida evoluiu na Terra.
Em nosso estudo recente, publicado na Nature Ecology & Evolution, usamos uma combinação de métodos científicos para reconstruir o genoma de Luca e mostrar como os genes que encontramos podem ter permitido que Luca vivesse. Este projeto foi o resultado de vários anos de trabalho e uma equipe internacional de colaboradores.
A natureza de Luca
Para reconstruir o genoma de Luca, precisávamos de uma amostra de genomas (todas as informações genéticas de um organismo) de diferentes grupos de bactérias e arqueias (organismos unicelulares distintos de bactérias) para que pudéssemos ter certeza de que estávamos amostrando a vida moderna. Excluímos eucariotos (plantas, animais e fungos) porque os cientistas acham que eles evoluíram de uma união de arqueias e bactérias, muito mais tarde. Tínhamos um conjunto de 700 genomas (350 arqueias e 350 bactérias), já selecionados de um estudo de 2022 no qual alguns de nós estávamos envolvidos.
Classificamos esses genes em diferentes famílias para entender seu propósito em organismos modernos. Usamos um banco de dados para isso, chamado KEGG, que ajuda cientistas a descobrir as vias metabólicas dos organismos (como eles sustentam a vida).
Em seguida, usamos essas famílias para inferir árvores filogenéticas (ou filogenias, algo como uma árvore genealógica) para entender a relação entre diferentes espécies e ver como elas evoluíram ao longo do tempo. Também construímos um conjunto separado de 57 genes que são comuns a todos os 700 organismos em nosso estudo e que provavelmente estão em quase toda a vida. Esses tipos de genes não mudaram muito nos últimos bilhões de anos.
Usamos esses 57 genes para construir uma árvore de espécies, que mostra a relação darwiniana dos diferentes organismos. Poderíamos então combinar nossas árvores de genes KEGG com a árvore de espécies, modelando taxas de duplicação de genes, transferência de genes e perda. Isso também nos permitiu calcular a probabilidade de diferentes famílias de genes estarem presentes em Luca.
Reconstruir o genoma de Luca nos permitiu estimar seu metabolismo, como se ele estivesse vivo hoje. Imaginamos Luca como um organismo bastante complexo, como bactérias e arqueias modernas, com um genoma pequeno. No entanto, não encontramos evidências de fotossíntese (que algumas bactérias usam) ou fixação de nitrogênio, um processo químico que algumas bactérias e arqueias modernas usam para permanecerem vivas.
Quantos anos tinha Luca?
Também tentamos um novo método para estimar a idade de Luca usando genes que acreditamos terem sido duplicados antes de Luca, juntamente com informações de fósseis.
Normalmente, para inferir linhas do tempo evolutivas, obteríamos uma filogenia de nossa espécie de interesse com genes homólogos, que remontam a um ancestral comum.
Então, encontraríamos um grupo de espécies que são distantemente relacionadas (um grupo externo) às nossas espécies de interesse para estabelecer a raiz da filogenia.
Os “ramos” que conectam as espécies em uma filogenia contêm informações sobre a taxa em que as mudanças genéticas (mutações) aconteceram e o tempo em que as espécies divergiram. Podemos usar evidências fósseis ou geológicas para informar o relógio molecular sobre as potenciais idades mínimas em que os eventos de especiação ocorreram.
Com Luca, no entanto, temos dois problemas. Não há um outgroup para a origem da vida e não há muitos fósseis ou muitas evidências geológicas da Terra primitiva que possamos usar para calibrar o relógio molecular.
Para superar essas restrições, usamos genes parálogos que os cientistas já haviam rastreado até Luca. Genes parálogos são relacionados entre si por meio da duplicação genética. Isso pode acontecer quando uma espécie se divide em duas, cada uma com sua própria cópia do gene duplicado.
Estimamos que Luca vagou pela Terra há cerca de 4,2 bilhões de anos. Se nossa estimativa de tempo estiver próxima da verdade, coisas como o código genético, a tradução de proteínas e a própria vida devem ter evoluído rapidamente, quase logo após a formação da Terra.
Nossa reconstrução de Luca não é a primeira, e certamente não será a última. Mais e mais organismos estão sendo descobertos e sequenciados a cada ano, os computadores estão ficando mais poderosos, e os modelos evolucionários estão melhorando continuamente. Portanto, nossa compreensão de Luca pode mudar quando mais dados e técnicas poderosas estiverem disponíveis.
Por exemplo, devemos considerar que provavelmente havia muitos outros organismos vivendo na época de Luca que não são mais representados por nenhum organismo hoje. Se algum dos primeiros descendentes de Luca não chegou aos dias modernos, e seus genes não sobreviveram, então nunca seremos capazes de mapear essas famílias de genes de volta a Luca, o que significa que nossa reconstrução de Luca pode estar incompleta.
Apesar de todas as limitações técnicas, nosso estudo define uma nova maneira de entender Luca. Mas ainda há muito mais trabalho a ser feito para entender melhor como a vida evoluiu desde a formação do nosso planeta Terra.
Este artigo foi publicado originalmente em A Conversa em 15 de agosto de 2024.
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