Como a evolução superacelerada está transformando a ecologia

(Obs. do blog: as imagens estão sob direitos autorais, por isso não aparecem aqui. As referências estão entre chaves assim (1). Caso encontre qualquer tradução que seja definitivamente um erro, por favor, comente e logo que eu puder, corrigirei)

Link do texto original no site da Nature: https://www.nature.com/articles/d41586-018-01400-y?utm_source=fbk_nnc&utm_medium=social&utm_campaign=naturenews&sf185696291=1

Darwin achava que a evolução era muito lenta para mudar o ambiente em escalas de tempo observáveis. Os ecologistas estão descobrindo que ele estava errado.

Autora: Rachael Lallensack

Imagem: Inseto de T. bartmani na planta. A coloração de insetos como este Timema bartmani o ajuda a se esconder, mas também pode afetar a ecologia local. Crédito: Moritz Muschick

Demorou menos de uma semana para que Timothy Farkas capturasse e realocasse 1.500 insetos-pau nas montanhas de Santa Ynez, no sul da Califórnia. Sua principal ferramenta era um simples bastão.

“É um pouco bruto”, diz Farkas. “Você simplesmente pega um pedaço de pau do chão e bate no meio de um arbusto.” Essa abordagem de baixa tecnologia desalojou hordas de insetos que a equipe facilmente arrancou da terra.

Nesta encosta fora de Santa Bárbara, existem dois tipos de arbustos que o bicho-pau (Timema cristinae) habita. A criatura vem em duas colorações correspondentes: verde e listrada. Farkas e seus companheiros ecologistas sabiam que os insetos evoluíram para se misturar com o ambiente. Mas os pesquisadores queriam ver se poderiam transformar essa relação, de modo que uma característica evoluída – camuflagem – afetaria a ecologia do organismo.

Para descobrir, a equipe transferiu misturas de insetos verdes e listrados para diferentes plantas, de modo que a coloração de alguns insetos se chocou com sua nova casa. De repente mal adaptados, esses insetos tornaram-se alvos de aves famintas, e isso causou um efeito dominó (1) . Pássaros atraídos por arbustos com insetos emparelhados parados para comer outros moradores, como lagartas e besouros, desnudando algumas plantas. “Que esta força evolutiva pode causar extinção local é impressionante”, diz Farkas, um ecologista da Universidade do Novo México, em Albuquerque. “Isso afeta toda a comunidade.” Tudo isso aconteceu por causa de um traço evolutivo fora do lugar.

Os ecologistas geralmente ignoram a evolução quando estudam seus sistemas; eles achavam que era impossível testar se um processo tão lento poderia mudar os ecossistemas em escalas de tempo observáveis. Mas eles perceberam que a evolução pode acontecer mais rapidamente do que imaginavam, e uma onda de estudos capitalizou essa ideia para observar a evolução e a ecologia em uníssono.

Essa dinâmica eco-evolutiva pode ser importante para entender como novas populações emergem, ou para prever quando alguém pode ser extinto. Experimentos sugerem que mudanças evolutivas alteram alguns ecossistemas tanto quanto mudanças em elementos ecológicos mais convencionais, como a quantidade de luz que chega a um habitat. “Dinâmica eco-evolutiva é o dragão que muita gente está perseguindo agora”, diz Troy Simon, ecologista da Universidade da Geórgia em Atenas.

A rápida evolução pode algumas vezes compensar alguns dos efeitos prejudiciais de um clima mais quente e de outros fatores de mudança conhecidos; em outros casos, pode piorar esses efeitos. Mesmo para os processos mais comuns, como mudanças no tamanho da população ou cadeias alimentares, os ecologistas devem levar em consideração a evolução, dizem os pesquisadores. “Todos perceberam que a rápida evolução estava ocorrendo em todos os lugares”, diz o ecologista evolucionista Andrew Hendry, da McGill University, em Montreal, Canadá.

Darwin no reverso

Tudo remonta aos tentilhões de Charles Darwin. Quando o naturalista visitou as Ilhas Galápagos, no Equador, em 1835, ele documentou algumas variações nos bicos dos tentilhões que viviam em diferentes ilhas e comiam diferentes alimentos. Anos após a viagem, ele sugeriu em seu Journal of Researches que essa variação sugeria uma estreita relação entre a ecologia das aves e sua evolução.

Darwin nunca imaginou ver isso em ação, porque ele achava que a evolução ocorre apenas no “longo lapso de eras”. Mas no final da década de 1990, os ecologistas começaram a perceber que a evolução poderia ser observada dentro de algumas gerações de uma determinada espécie – um cronograma com o qual eles poderiam trabalhar.

Organismos que vivem e morrem rapidamente fornecem alguns dos primeiros dados que demonstram como a evolução influencia a ecologia. Um estudo chave (2) publicado em 2003 enfocou algas e rotíferos, predadores microscópicos que se alimentam de algas; ambas as espécies podem atingir até 20 gerações ao longo de algumas semanas. O estudo misturou os organismos em tanques e mostrou que, quando as algas evoluem rapidamente, elas se livram da dinâmica populacional normal de predadores e presas.

Normalmente, as duas espécies jogam um ciclo entre “boom” (nota do blog: um muito rápido crescimento populacional) e “bust” (nota do blog: um declínio populacional rápido). A população de algas cresce; os rotíferos então os devoram e sua própria população explode. Quando os predadores esgotam as algas, seus números caem. As algas então se recuperam e o padrão começa novamente. Mas quando os pesquisadores introduziram diferentes variedades de algas – semeando alguma diversidade genética – as algas começaram a evoluir rapidamente e o ciclo mudou completamente. A população de algas permaneceu elevada por mais tempo, e o crescimento dos rotíferos foi anormalmente atrasado porque as novas algas eram mais resistentes à predação.

Estudos similares em afídias (3) e pulgas-dágua (4) confirmaram que a rápida evolução pode afetar características de populações, como a rapidez com que crescem. Essas mudanças ecológicas podem alterar futuras rodadas de evolução e seleção. Ver essa rápida evolução em ação mudou a imagem dos ecologistas sobre o que eles consideravam um processo ecológico previsível e fundamental, e mostrou como é importante considerar a evolução ao estudar como as populações interagem. “Tudo sobre ecologia tem que ser reexaminado à luz do fato de que a evolução é mais importante do que pensávamos”, diz Stephen Ellner, ecologista da Cornell University, em Ithaca, Nova York. “Isso muda tudo.”

Lagos falsos

Depois desses estudos iniciais de laboratório, os ecologistas começaram a pensar em algo maior. Experimentos realizados em ambientes fechados, em pequena escala, não conseguem reproduzir os meandros dos ecossistemas naturais, por isso os pesquisadores vêm testando suas ideias em cenários maiores e menos artificiais.

Descobrir se a dinâmica eco-evolutiva afeta o mundo real é um dos maiores desafios do campo, diz Rebecca Best, uma ecologista evolucionária da Northern Arizona University em Flagstaff, porque muitos fatores incontroláveis ​​podem afetar os ecossistemas selvagens.

Ela encontrou um meio termo, incorporando elementos naturais em um experimento controlado rigidamente. Em um local com vista para o Lago de Lucerna, na Suíça, ela e sua equipe montaram 50 lagos em miniatura: tanques de plástico grandes com 1.000 litros de água, além de lama de sedimentos, plantas, algas, invertebrados e água coletada de três lagos – Genebra, Constança e Lucerna. Uma vez que esses mesocosmos foram resolvidos, com o plâncton se reproduzindo e as plantas criando raízes, a equipe introduziu em cada tanque uma das duas linhagens geneticamente distintas de Gasterosteus aculeatus: uma linhagem do Lago de Constança e a outra do Lago de Genebra. Algumas semanas depois, os pesquisadores removeram os peixes e os substituíram por uma mistura de juvenis de laboratório de ambos os locais, além de alguns híbridos das duas linhagens.

Eles descobriram (5) que a forma como os adultos manipularam seus ambientes afetou a sobrevivência da próxima geração de peixes (veja ‘Feedback em peixes’). Se os peixes adultos retirassem presas de um determinado tamanho, por exemplo, os peixes mais novos que compartilhavam características com os adultos – nesse caso, o tamanho da boca – ficaram com fome. Os juvenis que eram diferentes dos antigos ocupantes se saíram melhor. O estudo mostrou que as características do peixe adulto moldaram o ambiente para a próxima geração – o suficiente para ditar a trajetória evolutiva das que se seguiram.
Best diz que seus experimentos de mesocosmo são mais sofisticados e realistas do que os estudos de laboratório, mas menos fáceis de controlar. Idealmente, ela diz, a equipe executaria o experimento no campo, mas isso viria com seus próprios obstáculos, como ter que levar em conta a evolução de outras espécies no ecossistema, ou o risco de eventos como tempestades extremas.

Imagem: Feedback em peixes

Experimentos como os da Best são “muito mais fáceis e controlados do que qualquer coisa que você possa fazer na natureza”, diz Hendry. Mas eles podem não refletir o que acontece nos ecossistemas reais. “Esse é o momento decisivo em que estamos agora. Isso realmente acontece no mundo real?

No mundo real confuso, pode ser difícil identificar o impacto de uma única característica, seja um atributo ecológico (como a chuva) ou um atributo evolucionário (como uma mudança na camuflagem).

Alguns ecologistas intrépidos estão tentando de qualquer maneira. No ano passado, um estudo (6) sobre os guppies em Trinidad demonstrou que a evolução dos peixes pode levar a uma mudança ecológica tão forte quanto um fator ambiental: a quantidade de luz disponível.

O estudo centrou-se em duas populações de guppies (Poecilia reticulata) na parte norte da ilha. Seus habitats diferem em várias características ecológicas, incluindo a quantidade de sombra que recebem do dossel da floresta, o que afeta quantas algas crescem nos riachos.

A equipe deslocou populações de guppies – que diferiam em traços evoluídos, como proporções corporais e cor – entre oito rios na bacia, e mediram o dossel acima da água. Em alguns dos locais de estudo, introduzindo um novo tipo de populações de algas alteradas por guppy, tanto quanto permitindo que 20% mais luz fluísse sobre a água. Até mesmo um ecossistema natural, dizem os pesquisadores, é um produto da evolução e também da ecologia.

Este experimento usou um cenário mais natural do que muitos outros, mas os guppies de Trinidad são celebridades ecológicas que apareceram em centenas de estudos, e os rios que habitam já foram altamente manipulados. Os pesquisadores querem saber se as forças que atuam nas populações de guppy também atuam em espécies que não são necessariamente famosas pela dinâmica evolutiva, diz o ecologista Gregor Fussmann, da McGill. “Precisamos de sistemas genéricos”, diz ele.

Membros de lagarto

Isso é exatamente o que Thomas Schoener, um ecologista evolucionário da Universidade da Califórnia, Davis, e sua equipe se propuseram a fazer com duas populações de lagartos nas Bahamas. Seu projeto faz parte de um estudo multigeracional em andamento, iniciado em 1977. Eles vêm tentando simular a evolução acelerada capturando lagartos-de-cauda-encaracolada (Leiocephalus carinatus) e movendo-os para uma série de pequenas ilhas habitadas por anoles marrons (Anolis sagrei) para ver como os ecossistemas mudam como resultado.

Os lagartos-de-cauda-encaracolada são predadores naturais da anole marrom menor, então, quando a equipe moveu pela primeira vez os lagartos-de-cauda-encaracolada para as ilhas com as anoles, as populações das últimas caíram (7). As populações de aranhas aumentaram quando as anoles – seu principal predador – foram atingidas, e o excesso de aranhas comeu mais insetos trigueados (Collembola). Pesquisadores observaram sobreviventes de anoles fugindo para as árvores para escapar de seu novo predador, e isso provocou danos às plantas. A equipe sabia de trabalhos anteriores (8) que anoles se adaptam rapidamente ao arvorismo, favorecendo a descendência de membros mais curtos.

Imagem: Lagarto-de-cauda-encaracolada em Cuba. Um lagarto de cauda encaracolado (Leiocephalus carinatus). Crédito: Dov Makabaw Cuba / Alamy

Mas então algo inesperado aconteceu. O furacão Irene atingiu as ilhas em 2011, seguido pelo furacão Sandy em 2012. Populações de anolis e lagartos caíram. Em algumas ilhas, anoles foram completamente destruídas após a tempestade.

“Os furacões são uma bênção mista, porque, por um lado, eles nos dão todos os tipos de dados interessantes sobre distúrbios”, diz Schoener. “Mas, por outro lado, pode retardar o que pode ser uma progressão normal da evolução.”

A equipe conseguiu manter seu projeto em andamento e está observando mudanças evolutivas no comprimento das pernas e na recolonização das lagartas das ilhas após o furacão.

Surpreendentemente, as anoles que sobreviveram à tempestade têm membros mais longos do que a população pré-furacão (7) – o oposto da previsão da equipe, mas talvez melhor para segurar as ramificações com firmeza durante uma tempestade. A equipe acaba de receber financiamento para estudar como essa mudança evolutiva afetará o ecossistema.

Os furacões certamente complicaram o estudo de Schoener, mas outros pesquisadores apreciam a intervenção não planejada porque ela oferece uma chance de estudar as consequências de eventos reais e observar os lagartos recolonizarem as ilhas. Mesmo na ausência de um desastre natural, qualquer número de dinâmicas também pode mudar o curso da evolução de um organismo, diz Best. “Essas interações potenciais estão acontecendo no ecossistema inteiro”.

Ela e outros dizem que há muito mais a fazer, tanto no laboratório quanto em estudos de campo mais elaborados. Alguns pesquisadores querem adicionar dados genéticos ao seu trabalho, para entender o que está impulsionando a evolução em primeiro lugar. Isso lhes diria se uma característica particular – taxa de crescimento, por exemplo – é verdadeiramente hereditária e evolutiva, em vez de uma característica que pode ser diretamente afetada pelo ambiente de um animal. Dados genômicos também podem ajudar a encontrar características ocultas – aquelas mais difíceis de serem observadas do que o tamanho do corpo ou a taxa de crescimento – que podem afetar a ecologia.

Em um estudo (9) sobre algas e rotíferos, Lutz Becks, um ecologista evolucionário do Instituto Max Planck de Biologia Evolutiva, em Plön, na Alemanha, e seus colegas observaram vários ciclos nos quais as populações cresciam e diminuíam quando as algas se agrupavam e se dispersavam. Mas quando a equipe analisou os genes individuais subjacentes ao comportamento de agregação, eles descobriram que sua expressão variava de forma descontrolada de um ciclo para o outro, embora a aglomeração parecesse a mesma. Desde então, observaram a co-evolução de três espécies de uma só vez – algas, rotíferos e um vírus – e descobriram (10) que os rotíferos diminuíram a velocidade com que as algas e o vírus co-evoluíram. A equipe planeja repetir esse tipo de experimento, analisando os dados do genoma para ver como detalhes específicos dos genes de algas e vírus mudam com o tempo. “Gostaríamos de chegar a um ponto em que podemos realmente prever qual arquitetura genômica pode ser necessária para uma evolução rápida”, diz Becks.

Evolução rápida pode compensar – pelo menos parcialmente – os efeitos prejudiciais da mudança climática e outros distúrbios ecológicos. Em 2011, por exemplo, um grupo liderado por Ellner reanalizou (11) 35 anos de dados de ovos dormentes de pulgas da Daphnia , exumados de um núcleo de sedimentos no Lago Constance. Os dados representaram períodos antes, durante e depois de um tempo em que o lago foi afetado por florações de cianobactérias, um micróbio com baixo valor nutricional para a Daphnia . A equipe descobriu que, à medida que a comida da Daphnia se tornava menos nutritiva, as pulgas juvenis cresceram mal e acabaram se tornando adultos menores. Mas depois de várias gerações, mudanças evolutivas fizeram com que a taxa de crescimento dos juvenis voltasse ao normal. E os adultos recuperaram um pouco da sua estatura perdida, embora não tenham atingido o mesmo tamanho que tinham antes das flores. Os pesquisadores sugerem que a evolução rápida é provável que ocorra mais frequentemente quando o ambiente está mudando, mas os efeitos estão ocultos porque eles seguem direções opostas. “A evolução será parte de como a biosfera responde à mudança climática”, diz Ellner.

Farkas tem essas questões sobre evolução e ecologia em mente enquanto ele bate nos arbustos ao redor de Santa Bárbara e classifica seus insetos. Ele e sua equipe estão planejando esquemas ainda mais elaborados. Eles querem pegar um ciclo completo de feedback se desdobrando – ecologia afetando a evolução que afeta a ecologia mais uma vez – ao mesmo tempo em que coletam dados genéticos. “Comparando o tamanho desses efeitos da evolução e entendendo quando e onde a evolução está acontecendo, será importante”, diz Farkas. “Para mim, é a fronteira final. Mas vai demorar muito tempo.

Nature 554 , 19-21 (2018)

doi: 10.1038/d41586-018-01400-y

NatureBriefing

Referências

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