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Um fórum da Associação Portuguesa de Biologia Evolutiva que divulga o mais recente trabalho de investigação em Biologia Evolutiva desenvolvido em Portugal, ou por investigadores Portugueses, pelo mundo fora.
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2020
Bactérias cooperantes? Parece um oximoro...
Quem Sou?
Sou o Alex (“andre” opcional) Figueiredo, estudante de doutoramento na Universidade de Zurique, na Suíça. Nesta universidade, faço parte de dois grupos de investigação, o Rolf Kümmerli Lab, no Departamento de Biomedicina Quantitativa, e o Andreas Wagner Lab, no Departamento de Biologia Evolutiva e Estudos Ambientais. Sou originário de Lisboa e fiz a licenciatura e o mestrado na FCUL, em Biologia Evolutiva e do Desenvolvimento. Durante o mestrado, tive o enorme prazer de pertencer ao Mite Squad, onde investiguei alguns aspectos da competição sexual nos machos dos adoráveis ácaros-aranha.
email de contacto: alexandre_r_t_figueiredo@msn.com
Sou o Alex (“andre” opcional) Figueiredo, estudante de doutoramento na Universidade de Zurique, na Suíça. Nesta universidade, faço parte de dois grupos de investigação, o Rolf Kümmerli Lab, no Departamento de Biomedicina Quantitativa, e o Andreas Wagner Lab, no Departamento de Biologia Evolutiva e Estudos Ambientais. Sou originário de Lisboa e fiz a licenciatura e o mestrado na FCUL, em Biologia Evolutiva e do Desenvolvimento. Durante o mestrado, tive o enorme prazer de pertencer ao Mite Squad, onde investiguei alguns aspectos da competição sexual nos machos dos adoráveis ácaros-aranha.
email de contacto: alexandre_r_t_figueiredo@msn.com
Na imagem, Alex (andre) Figueiredo (Fotografia: INTEGRA Biosciences AG).
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O que investigo?
Se antes já trabalhava com uns bichos que mal se vêem a olho nu, agora é ainda mais complicado ver o meu organismo de estudo. Estou a trabalhar com bactérias, investigando o modo como cooperam umas com as outras. Bactérias cooperantes? Parece um oximoro, mas longe vão os tempos em que víamos as bactérias como simples robots a viver num “cada-um-por-si” nos solos, águas, animais e plantas. Agora, sabe-se que as bactérias interagem constantemente umas com as outras. Por um lado, estão em constante competição, pois muitas vezes há pouco espaço e poucos nutrientes disponíveis. Mas também há muitos casos de entreajuda entre micróbios. Alguns constroem “cidades” (chamadas “biofilmes”) onde várias espécies coexistem e se protegem mutuamente; outros trocam “comida” (imaginem: o micróbio A produz um nutriente de que o micróbio B precisa; o micróbio B retribui produzindo algo de que o micróbio A necessita); e até há uns que cometem suicídio para salvar os seus colegas de colónia. |
Na imagem, várias populações de Pseudomonas aeruginosa durante evolução experimental. Estas bácterias são conhecidas por produzir pigmentos amarelos-azuis-esverdiados, que dão estas cores magníficas às suas culturas.
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Trabalho principalmente com a (des)conhecida bactéria Pseudomonas aeruginosa, um micróbio fascinante mas bem chato, já que infecta pessoas com sistemas imunitários enfraquecidos ou problemas pulmonares. No entanto, o que torna este patógeno interessante é o facto de exibir comportamentos sociais bastante complexos. O comportamento social que estudo é a partilha de moléculas que obtêm ferro do meio ambiente. Estas moléculas, os sideróforos (do grego “sidero” = ferro; “foreas” = transportador), são secretadas pelas células bacterianas quando se “sentem anímicas” e, precisamente por serem secretadas, ficam disponíveis não só para a bactéria que as produziu mas para todas as bactérias à sua volta que tenham um receptor que lhes permita apanhá-las. O volta-face é que como os sideróforos são moléculas que custam muito a produzir, qualquer Pseudomonas que tenha uma mutação que lhe impeça de produzir sideróforos, vai ter uma vantagem enorme sobre as outras. A estes mutantes chamamos “batoteiros” e, desde que se mantenham rodeados por bactérias produtoras de sideróforos, são muito favorecidos pela selecção natural; aproveitam-se dos sideróforos dos outros sem terem os custos metabólicos de os produzir. Por vezes, a vantagem que os batoteiros têm é tão grande que acabam por exceder os produtores, podendo até levar à extinção da população por já não haver nenhuma bactéria a produzir sideróforos! O meu trabalho envolve as dinâmicas entre estes mutantes batoteiros e os produtores de sideróforos à sua volta. Para isso uso evolução experimental para tentar responder às seguintes perguntas: que condições ecológicas permitem o aparecimento de batoteiros? Como é que os produtores de sideróforos se adaptam à presença de batoteiros? Podemos seleccionar bactérias para serem “super-cooperantes”? As respostas serão publicadas em breve (espero)!.
Cooperação e conflito no microbiota e os seus efeitos nos hospedeiros animais.
Outro fenómeno que me fascina é a simbiose entre animais e micróbios. Hoje em dia, sabemos que entre os micróbios que vivem dentro de nós (o microbiota) não há só patógenos, muitos deles não têm efeitos particulares ou são até benéficos. Mas os micróbios não têm efeitos só nos hospedeiros: como referi antes, também estão em constante interacção uns com os outros, seja em competição por recursos ou em cooperação. Estas interacções têm frequentemente efeitos profundos nos seus hospedeiros animais. Por exemplo, competição por recursos entre micróbios pode impedir um micróbio prejudicial de nos infectar. Outras vezes, um micróbio coopera com outro ao produzir algum nutriente de que este precise. O segundo micróbio, por sua vez, produz um nutriente que nós podemos absorver nos nossos intestinos, fazendo esta cooperação entre micróbios directamente benéfica para nós.
Outro fenómeno que me fascina é a simbiose entre animais e micróbios. Hoje em dia, sabemos que entre os micróbios que vivem dentro de nós (o microbiota) não há só patógenos, muitos deles não têm efeitos particulares ou são até benéficos. Mas os micróbios não têm efeitos só nos hospedeiros: como referi antes, também estão em constante interacção uns com os outros, seja em competição por recursos ou em cooperação. Estas interacções têm frequentemente efeitos profundos nos seus hospedeiros animais. Por exemplo, competição por recursos entre micróbios pode impedir um micróbio prejudicial de nos infectar. Outras vezes, um micróbio coopera com outro ao produzir algum nutriente de que este precise. O segundo micróbio, por sua vez, produz um nutriente que nós podemos absorver nos nossos intestinos, fazendo esta cooperação entre micróbios directamente benéfica para nós.
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Recentemente, eu e um colega escrevemos um artigo de revisão sobre este tema, no qual explorámos as formas como os micróbios interagem e que efeitos estas interacções têm nos hospedeiros. Vamos depois um pouco mais longe, e argumentamos que a diversidade de micróbios que um certo animal alberga é indicadora dos tipos de interacções que ocorrem entre micróbios e os efeitos que terão nos animais. Essencialmente, os microbiotas onde muitas espécies de micróbios coexistem, são principalmente moldados por competição entre micróbios. Isto previne que os micróbios se adaptem (só) ao hospedeiro e impede a evolução de mutualismos puros entre micróbios e hospedeiros. Por esta razão, argumentámos ser mais provável que qualquer efeito benéfico que as bactérias tenham para “nós” seja um by-product da sua adaptação às outras bactérias, e não que tenha evoluído por ser benéfico para nós. Por outro lado, os microbiotas simples nos quais só um punhado de espécies coabitam num hospedeiro, são geralmente marcados por cooperação entre micróbios. Isto, por sua vez, facilita a adaptação dos micróbios aos hospedeiros (e vice-versa). Aqui sim, poderão haver adaptações nas bactérias que tenham evoluído por serem benéficas para os hospedeiros. Nestes casos, mutualismos obrigatórios podem evoluir, levando a que hospedeiro e micróbio já não consigam viver um sem o outro.
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Esquema simplificado que representa as interacções entre bactérias num microbioma simples (A) e complexo (B). Nos microbiomas com poucas espécies de micróbios, estes maioritariamente cooperam entre si e com o hospedeiro (setas pretas), sendo a competição (seta vermelha) mais rara. Por outro lado, nos microbiomas complexos prevalece a competição, e os efeitos para o hospedeiro derivam principalmente de adaptações a outras bactérias. |
O panorama científico do estudo dos microbiomas está repleto de trabalhos descritivos, que apesar de muito importantes não contam a história toda. Apenas recentemente começámos a entender a relevância das interacções entre micróbios dentro nós e há ainda muito por descobrir neste micro-mundo. Muitas descobertas que aguardam pacientemente por ser feitas neste campo, sem dúvida terão implicações importantes, tanto teóricas (por exemplo no nosso entendimento da ecologia e evolução de interacções simbionte(s)-hospedeiro) como práticas (por exemplo na saúde humana e veterinária)
Referências bibliográficas
07.07.2020
Referências bibliográficas
07.07.2020
2019
A mais bela história do mundo, contada a todos
Na imagem, Telma G. Laurentino e o seu organismo de estudo: o esgana-gata (Gasterosteus aculeatus); foto por Franciso Pina-Martins
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Quem Sou? A Telma G. Laurentino é estudante de doutoramento no Instituto Zoológico da Universidade de Basel, na Suíça. O grupo de investigação de que faz parte (Salzburger Lab, Berner group) estuda evolução, adaptação e genómica em populações de esgana-gata de várias zonas do mundo. A Telma já trabalhou com várias espécies de vários ramos da árvore da vida, sendo os répteis os seus preferidos. O seu livro português de divulgação científica predileto é “A evolução culminou no homem?” por Teresa Avelar. Pode ler mais sobre o trabalho dela aqui e aqui e pode também segui-la no twitter @TelmaLaurentino |
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O que investigo? Tenho o privilégio de ser uma dos milhares de autores que (d)escrevem a história mais bela do mundo: a evolução. Enquanto bióloga evolutiva, foco-me principalmente nos efeitos da seleção natural em populações de animais selvagens, e em como esta força evolutiva gera e molda a biodiversidade. Atualmente, investigo a evolução dos Esgana-gata (Gasterosteus aculeatus) centro-europeus e tento compreender como a seleção natural promove a adaptação de populações deste peixe em diferentes habitats, e como é que essa adaptação está codificada no genoma do esgana-gata. Ilustração de Telma Laurentino |
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O genoma é basicamente o manual do IKEA de como construir uma espécie!
Toda a informação necessária para que um esgana-gata tenha as características físicas de esgana-gata, em vez de parecer… um bacalhau! Está escrita em 460 Megas de informação genética, codificada em sequências de 4 letras apenas: ATCG. Eu procuro os diferentes padrões no código genético de esgana-gatas adaptados a diferentes ambientes para compreender como são codificadas e selecionadas as características importantes para a sobrevivência e continuidade da espécie. |
A minha pergunta: Como é que a seleção natural molda o genoma das espécies?
A pesquisa dos últimos 200 anos permitiu-nos compreender muito claramente que diferentes ambientes selecionam diferentes características dos organismos que maximizam a sua sobrevivência e reprodução. O que ainda não compreendemos inteiramente é como e quão rápido este processo atua, especialmente ao nível do genoma.
No lago Konstanz os esgana-gata são grandes, atrevidos, vivem em água aberta, onde se alimentam de zooplâncton, e estão altamente protegidos por uma armadura externa de dentina! No entanto, nos ribeiros circundantes, a mesma espécie tem características bem diferentes: são mais pequenos e a sua armadura é reduzida, e vivem no fundo do ribeiro onde se alimentam de pequenos invertebrados, escondendo-se constantemente entre as pedras.
A pesquisa dos últimos 200 anos permitiu-nos compreender muito claramente que diferentes ambientes selecionam diferentes características dos organismos que maximizam a sua sobrevivência e reprodução. O que ainda não compreendemos inteiramente é como e quão rápido este processo atua, especialmente ao nível do genoma.
No lago Konstanz os esgana-gata são grandes, atrevidos, vivem em água aberta, onde se alimentam de zooplâncton, e estão altamente protegidos por uma armadura externa de dentina! No entanto, nos ribeiros circundantes, a mesma espécie tem características bem diferentes: são mais pequenos e a sua armadura é reduzida, e vivem no fundo do ribeiro onde se alimentam de pequenos invertebrados, escondendo-se constantemente entre as pedras.
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O que queremos compreender é como e com que velocidade é que a natureza seleciona estas diferenças e como elas estão codificadas no genoma. Para isso desenhámos uma experiência com o intuito de capturar a seleção natural a atuar em tempo-real! Criámos híbridos dos dois ambientes (lago-ribeiro) em laboratório (lembrem-se que eles são da mesma espécie, apenas habitam ambientes diferentes, por isso tudo o que tivemos que fazer foi fertilizar ovos de fêmea do lago com esperma de macho do ribeiro e vice-versa) e libertámos estes híbridos num ribeiro com condições naturais.
Ilustrações de Telma Laurentino |
Esperámos um ano, e voltámos ao ribeiro para observar os sobreviventes. Tínhamos várias questões, sendo a maiores:
- Será que a composição genética dos sobreviventes é mais parecida com a das populações naturais de ribeiro?
- Será que um ano é tempo suficiente para a seleção natural atuar?
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As respostas a estas perguntas permitem-nos compreender melhor a evolução: Se os sobreviventes tem características genéticas muito mais parecidas com as populações naturais de ribeiro, então sabemos que o que estamos a observar é de facto a seleção natural a atuar! Se um ano foi suficiente para capturarmos estes padrões, então sabemos que a seleção pode atuar rapidamente, mesmo dentro de uma geração! E foi exatamente isso que observámos.
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O que é novo e excitante nos dados da nossa experiência é observarmos a seleção natural atuar em frente aos nossos olhos: O ribeiro selecionou rapidamente as características indispensáveis à sobrevivência do esgana-gata nesse ambiente! Agora, explorando melhor o manual do IKEA do esgana-gata podemos saber que características são essas.
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A história fica ainda mais bela quando chega a todos!
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Em paralelo com a minha investigação, gosto de partilhar o meu fascínio pela evolução com tanta gente quanto possa. No entanto, a história mais bela do mundo tem sido maioritariamente contada através de informação visual: fotografias, gráficos, livros, documentários… O que excluiu pessoas com deficiência visual — 253 milhões de pessoas, em todo o mundo.
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Em conjunto com a Marisa Xavier, desenvolvemos uma árvore da vida multissensorial que conta a história da evolução a quem não a pode ver.
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Fotografias por Marisa Xavier e Telma G. Laurentino do evento da evALLution na Associação Promotora do Ensino dos Cegos (APEC)
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Os esgana-gata provaram ser um excelente organismo também para ensinar evolução a pessoas com deficiência visual. As diferenças de armadura entre os esgana-gata de ribeiro e lago são facilmente sentidas quando os tocamos ao longo do corpo, assim como a diferente posição da boca entre os que se alimentam em água aberta, no lago e o que o fazem no fundo do ribeiro (têm a boca disposta mais ventralmente)!
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Foi gratificante ver que, com acesso à biodiversidade e informação básica, as pessoas com deficiência visual conseguiram prever que no lago ter uma armadura maior assegura a sobrevivência do esgana-gata face aos grandes predadores que não encontram nos ribeiros, sentindo assim, pela primeira vez, a ação da seleção natural.
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Assim, o meu parágrafo na história mais bela, escrito em conjunto com todos os meus coautores, contribui para a compreensão das forças evolutivas geradoras de biodiversidade e tenta que esse conhecimento chegue a todos, independentemente de como experimentam o mundo.
02.12.2019
02.12.2019
Conseguem as populações adaptar-se ao aquecimento global?
Keywords: Aquecimento global; Evolução experimental; Adaptação; História Evolutiva; Drosophila subobscura;
Link para o projeto: https://ce3c.ciencias.ulisboa.pt/research/projects/ver.php?id=151 |
Quem Somos? Somos o grupo Adaptação Local em Drosophila e fazemos parte do cE3c – Centro de Ecologia, Evolução e Alterações Ambientais. Mais aqui: https://ce3c.ciencias.ulisboa.pt/sub-team/local-adaptation-in-drosophila email de contacto: pmsimoes@fc.ul.pt O que investigamos? O nosso trabalho tem-se focado em tentar perceber como se processa a adaptação de populações a novos ambientes. Presentemente, estamos a estudar a evolução de populações do insecto Drosophila subobscura num cenário de aquecimento global. O principal interesse científico do projecto ADAPTCLIMWARM, que apresentamos abaixo, prende-se com o potencial evolutivo das populações em resposta a ambientes térmicos dinâmicos. |
O impacto do aquecimento global na biodiversidade é um dos maiores problemas da actualidade, sendo essencial prever a magnitude dos seus efeitos para definir de estratégias de conservação adequadas. Uma questão fundamental é perceber até que ponto as populações se conseguirão adaptar com a rapidez necessária de modo a acompanhar as mudanças ambientais a que estão sujeitas. Uma abordagem evolutiva, num cenário de alterações climáticas, é assim da maior importância, permitindo tomar decisões mais bem informadas nas políticas de conservação.
No projecto ADAPTCLIMWARM (PTDC/BIA-EVL/28298/2017) estamos a analisar as alterações evolutivas de populações sujeitas a diferentes ambientes térmicos, recorrendo à evolução experimental - evolução em tempo real, sob condições laboratoriais controladas. Drosophila subobscura é um excelente modelo para estudar adaptação térmica. Estudos nesta espécie documentaram alterações evolutivas a nível mundial previstas pelo aquecimento global, respostas evolutivas a eventos climáticos extremos e, ainda, variação latitudinal e sazonal na frequência de inversões cromossómicas relacionadas com resposta a alterações térmicas (Rezende et al. 2010).
Neste projecto utilizamos populações de D. subobscura derivadas de latitudes contrastantes (Portugal e Holanda) que já se encontram adaptadas às condições gerais de laboratório (Simões et al. 2017), nomeadamente à temperatura constante de 18ºC. Pretende-se, agora, caracterizar a resposta evolutiva destas populações num ambiente de aquecimento global. Para isso serão sujeitas a três regimes térmicos distintos: (1) aquecimento global, com flutuação circadiana (diária), aumento de temperatura média (0.2ºC) e amplitude térmica (0.5ºC) entre gerações, (2) flutuação circadiana, com temperatura circadiana flutuante e ciclo constante ao longo das gerações e (3) controlo, regime de temperatura constante (ver Figuras 1 e 2).
No projecto ADAPTCLIMWARM (PTDC/BIA-EVL/28298/2017) estamos a analisar as alterações evolutivas de populações sujeitas a diferentes ambientes térmicos, recorrendo à evolução experimental - evolução em tempo real, sob condições laboratoriais controladas. Drosophila subobscura é um excelente modelo para estudar adaptação térmica. Estudos nesta espécie documentaram alterações evolutivas a nível mundial previstas pelo aquecimento global, respostas evolutivas a eventos climáticos extremos e, ainda, variação latitudinal e sazonal na frequência de inversões cromossómicas relacionadas com resposta a alterações térmicas (Rezende et al. 2010).
Neste projecto utilizamos populações de D. subobscura derivadas de latitudes contrastantes (Portugal e Holanda) que já se encontram adaptadas às condições gerais de laboratório (Simões et al. 2017), nomeadamente à temperatura constante de 18ºC. Pretende-se, agora, caracterizar a resposta evolutiva destas populações num ambiente de aquecimento global. Para isso serão sujeitas a três regimes térmicos distintos: (1) aquecimento global, com flutuação circadiana (diária), aumento de temperatura média (0.2ºC) e amplitude térmica (0.5ºC) entre gerações, (2) flutuação circadiana, com temperatura circadiana flutuante e ciclo constante ao longo das gerações e (3) controlo, regime de temperatura constante (ver Figuras 1 e 2).
Figura 1. As populações PT (Sintra, Portugal) e NL (Groningen, Holanda) foram tri-replicadas em laboratório após fundação a partir das populações naturais e mantidas a 18ºC durante 70 gerações. Cada população deu origem a três outras que, desde então, são sujeitas a três regimes térmicos distintos: (1) aquecimento global, (2) flutuação circadiana, e (3) controlo. Estes regimes serão mantidos pelo menos durante 25 gerações.
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Figura 2. Perfil diário de temperatura dos regimes térmicos ao fim de 25 gerações. As populações controlo mantém a temperatura constante de 18ºC. No regime de flutuação circadiana a temperatura varia diariamente entre os 15 e os 21ºC, mantendo o mesmo perfil. No regime de aquecimento global, ao fim de 25 gerações, a temperatura variará diariamente entre os 13 e os 32ºC.
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- Será que as populações se conseguem adaptar rapidamente ao stress térmico?
- Que genes e mecanismos biológicos estarão implicados nessa resposta evolutiva?
- Qual o impacto da diferente história das populações na sua capacidade adaptativa ao stress térmico?
- A presença de diferentes inversões cromossómicas condiciona a adaptação térmica?
Este projecto apresenta particularidades muito relevantes para a problemática das alterações climáticas:
(1) testa empiricamente, para além do aumento médio da temperatura, um dos maiores efeitos do aquecimento global, o aumento da amplitude térmica, aspeto bastante negligenciado noutros estudos;
(2) analisa a evolução de populações da mesma espécie com histórias evolutivas contrastantes na natureza. Este ponto é particularmente relevante, já que é fundamental que estudos do impacto das alterações climáticas na biodiversidade tenham em conta a variação entre populações.
Em resumo, o ADAPTCLIMWARM estuda o potencial evolutivo das populações na resposta ao aquecimento global, num ambiente rigoroso e altamente controlado. Esta experiência foca as duas principais características do aquecimento global: o aumento da temperatura média e da amplitude térmica. Aumentos graduais impostos nestas duas variáveis térmicas (média e amplitude) permitirão testar, em tempo real, o potencial adaptativo das populações na resposta a perturbações ambientais actuais, contribuindo para melhores previsões da distribuição futura da biodiversidade no planeta.
Santos MA, Carromeu-Santos, A, Quina, AS, Matos M, Simões P
cE3c – Centro de Ecologia, Evolução e Alterações Ambientais, Faculdade de Ciências da Universidade de Lisboa, Portugal
CESAM UL - Departmento de Biologia da Faculdade de Ciências da Universidade de Lisboa & CESAM, Lisboa, Portugal
Referências bibliográficas
- Rezende E, Balanyà J, Rodríguez-Trelles F et al (2010) Climate change and chromosomal inversions in Drosophila subobscura. Clim Res 43: 103-114
- Simões P, Fragata I, Seabra SG et al (2017) Predictable phenotypic, but not karyotypic, evolution of populations with contrasting initial history. Scientific Reports 7: 913
Agradecimentos
Este estudo é financiado pela Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT) através do projecto ADAPTCLIMWARM (PTDC/BIA-EVL/28298/2017). Os autores gostariam de agradecer ao Centro de Ecologia, Evolução e Alterações Ambientais (cE3c), financiada pela FCT (UID/BIA/00329/2013), pelo apoio para a execução do projecto.
03.11.2019
