Homologia serial e a origem das barbatanas: o que a raia pequena revela

Há um enigma antigo na biologia que parece simples de enunciar: porque é que diferentes partes do corpo se parecem entre si, mesmo quando desempenham funções muito distintas?

Basta olhar para estruturas como barbatanas, membros ou até os ossos da coluna vertebral. Há ali um padrão: repetem-se, mas nunca como cópias exactas.

A esta semelhança em série, os cientistas chamam homologia serial. É um conceito conhecido, embora a sua explicação esteja longe de ser consensual.

Durante muito tempo, a resposta mais aceite apoiou-se sobretudo na mudança ao longo do tempo: uma estrutura transformar-se-ia gradualmente noutra. Em muitos casos, essa ideia continua a fazer sentido.

Ainda assim, um trabalho recente indica que poderá existir outro mecanismo, menos visível, a contribuir para este tipo de repetição. Andrew Gillis, cientista associado no Marine Biological Laboratory (MBL), dedica-se há quase 20 anos ao estudo da evolução das barbatanas dos peixes.

Em colaboração com colegas no âmbito do MBL-University of Chicago Graduate Research Fellowship Program, Gillis investigou de que forma o desenvolvimento embrionário inicial influencia a formação destas estruturas repetidas.

Uma nova forma de pensar a repetição

O estudo centrou-se em embriões de raia pequena (little skate), um tipo de peixe. Nestas fases iniciais, as células já começam a tomar decisões sobre o que vão vir a ser.

Algumas dão origem aos arcos branquiais, que sustentam a respiração. Outras acabam por formar as barbatanas pares, fundamentais para a locomoção.

Tradicionalmente, assumia-se que estas partes provinham de grupos celulares completamente distintos. Os arcos branquiais eram associados a uma camada de células embrionárias, enquanto as barbatanas teriam origem noutra. Esta separação “limpa” pareceu plausível durante muito tempo.

No entanto, os resultados apontam noutra direcção. A fronteira entre essas populações celulares não é rígida; assemelha-se mais a uma zona de transição. Células de origens diferentes misturam-se e partilham a capacidade de formar uma estrutura ou a outra.

Essa maleabilidade altera a forma como se interpreta a repetição das partes do corpo. Em vez de uma estrutura ter necessariamente de se converter lentamente noutra, pode acontecer que diferentes grupos celulares tragam, desde cedo, o mesmo potencial de desenvolvimento.

Células capazes de trocar de função

Para pôr esta hipótese à prova, os investigadores realizaram experiências cuidadosas de transplante. Retiraram células que, em condições normais, formariam parte do esqueleto das brânquias e colocaram-nas em barbatanas em desenvolvimento.

As células ajustaram-se ao novo local. Integraram-se na barbatana sem dificuldade.

A equipa fez também o percurso inverso. Células destinadas às barbatanas foram transferidas para zonas que estavam a formar a mandíbula, uma estrutura intimamente relacionada com os elementos branquiais. Mais uma vez, as células encaixaram no novo contexto.

“What this means is the cells making these two body parts are equivalent and interchangeable,” disse Gillis. “We propose that is why the structures that form from these cells are serially homologous.”

Em termos práticos, as células respondem ao ambiente onde se encontram. Sinais no embrião orientam o que deve ser construído. Quer a instrução seja formar uma barbatana, quer seja formar uma estrutura branquial, as células seguem as indicações locais.

Porque isto é importante para a evolução

Esta descoberta acrescenta uma nova camada a uma discussão antiga. Há mais de um século que se procura explicar de onde vem a repetição de estruturas no corpo.

Uma das ideias históricas, proposta na década de 1870, defendia que as barbatanas pares teriam evoluído a partir dos arcos branquiais por transformação gradual.

Estudos modernos já sustentaram partes dessa hipótese ao revelar genes e vias de desenvolvimento partilhados. Mas este trabalho aponta para algo ainda mais fundamental: a semelhança pode resultar de um potencial de desenvolvimento comum, e não apenas de uma transformação prolongada ao longo de gerações.

“Our study offers a new way of thinking about serial homology that doesn’t necessarily have to invoke one thing transforming into another,” observou Gillis. “We are trying to define serial homology by explaining it from a developmental perspective.”

A mudança é relevante porque desloca o foco da procura de explicações. Em vez de depender apenas de fósseis e de alterações visíveis com o tempo, torna-se possível investigar como, logo no início, os embriões constroem estas estruturas.

Um padrão possivelmente escrito no genoma

O estudo levanta ainda outra questão: o que orienta exactamente estas células flexíveis? Se células de diferentes origens podem comportar-se de forma semelhante, então algo tem de coordenar essa resposta.

“The similar response of the cells to the environment may be encoded in the genome,” afirmou o primeiro autor do estudo, Michael Wen.

“How similar the genomic landscapes are between cells may provide another layer to our explanation of serial homology and is something we are now investigating.”

A proposta sugere que as células transportam instruções comuns, mesmo quando começam em locais diferentes. Essas instruções partilhadas podem ajudar a explicar porque é que certas partes do corpo se repetem em padrões reconhecíveis em muitos animais.

Uma questão que continua em aberto

Apesar destes avanços, a narrativa completa sobre como surgiram as primeiras barbatanas pares continua pouco clara. Os fósseis têm sido muito úteis para compreender como, mais tarde, as barbatanas deram origem a membros - sobretudo nos primeiros vertebrados terrestres. Já a origem das próprias barbatanas é mais difícil de reconstruir.

“Unlike the fin-to-limb transition, where we have all these nice fossils showing the gradual transformation of one part to another, we don’t have that for the origin of fins,” disse Gillis.

Essa ausência de evidência directa deixa espaço para novas perguntas - e mantém a área em movimento. Cada resultado acrescenta uma peça, mas o quadro geral ainda não está completo.

Uma visão mais ampla do corpo

As implicações não se limitam aos peixes. Se populações celulares intercambiáveis ajudam a gerar estruturas repetidas, o mesmo princípio poderá aplicar-se a outras regiões do corpo.

“I would bet if you transplanted a lower-back skeletal cell to the neck during embryonic development, it would behave like a neck cell,” afirmou Gillis.

A ideia liga exemplos tão diversos como vértebras, dedos das mãos e dedos dos pés. Sugere que o corpo produz variação a partir de um conjunto partilhado de ferramentas, recorrendo a células flexíveis que respondem a sinais locais.

A biologia raramente oferece respostas imediatas. Ainda assim, por vezes, depois de anos de trabalho persistente, surge uma explicação mais simples - e surpreendentemente óbvia.

O estudo completo foi publicado na revista Proceedings of the National Academy of Sciences.