Arquivo da tag: origem da vida

Problema 4: a seleção natural se esforça muito para firmar características vantajosas nas populações

Imagem: Jason Samfield/Flickr

Nota do tradutor: esta é a parte 4 da série de 10 artigos sobre os problemas científicos da evolução biológica e química. A série é baseada no capítulo “The Top Ten Scientific Problems with Biological and Chemical Evolution” de autoria de Casey Luskin no livro More than Myth, editado por Paul Brown e Robert Stackpole (Chartwell Press, 2014). Ao fim dos 10 artigos, toda a série será publicada em um único texto. Eis a lista dos artigos anteriores: Artigo introdutório, Problema 1, Problema 2, Problema 3.


Em 2008, 16 biólogos de todo o mundo reuniram-se em Altenberg, Áustria, para discutir problemas com o modelo neodarwinista moderno da evolução. A revista Nature cobriu essa conferência “Altenberg 16”, citando os principais cientistas dizendo coisas como:

  • “A origem das asas e a invasão da terra… São coisas sobre as quais a teoria da evolução nos diz pouco” [49].
  • “Você não pode negar a força da seleção na evolução genética… Mas, na minha opinião, essas formas bem ajustadas e estáveis que se originaram foram devido a outros processos”.
  • “A síntese moderna é extraordinariamente boa para modelar a sobrevivência do mais apto, mas não é boa para modelar o aparecimento do mais apto”.

No Problema 3, vimos que as mutações não conseguem gerar muitas características complexas nos organismos vivos em escalas de tempo evolutivas razoáveis. Mas as mutações são apenas uma parte do mecanismo evolutivo padrão – há também a seleção natural. E a evolução darwiniana não só comumente falha em explicar o “aparecimento do mais apto” através das mutações, mas também frequentemente se esforça muito para explicar a “sobrevivência do mais apto” através da seleção natural.

Os biólogos evolucionistas muitas vezes assumem que, uma vez que as mutações produzam uma característica funcionalmente vantajosa, ela vai se espalhar facilmente (tornar-se “fixa”) em toda a população através da seleção natural. Por exemplo, imagine uma população de raposas de pêlo castanho que vive em uma região de neve. Uma raposa nasce com uma mutação que transforma seu pêlo em branco, ao invés de marrom. Esta raposa agora tem uma vantagem na caça de presas e na fuga de predadores, porque o seu pêlo branco a permite se camuflar no ambiente cheio de neve. A raposa branca sobrevive, passando seus genes para seus descendentes, que também estão aptos a sobreviver e se reproduzir. Com o tempo, a característica de pêlos brancos se espalha por toda a população.

É assim que deveria funcionar – na teoria. No mundo real, no entanto, a mera geração de uma característica funcionalmente vantajosa não garante que ela persistirá, ou que ela se tornará fixa. Por exemplo, e se por acaso a raposa branca tropeçasse, quebrasse uma perna e fosse devorada por um predador, nunca passando os seus genes? Forças ou eventos aleatórios pode impedir que uma característica se espalhe pela população, mesmo que ela proporcionasse uma vantagem. Estas forças aleatórias estão agrupadas sob o nome de “deriva genética”. Quando os biólogos fazem a matemática da seleção natural, eles descobrem que, a menos que uma característica desse uma vantagem seletiva extremamente forte, a deriva genética tende a prevalecer sobre a força da seleção e a impedir que as adaptações ganhem lugar numa população.

Este problema subestimado tem sido reconhecido por alguns cientistas evolucionistas que são céticos quanto à capacidade da seleção natural de conduzir o processo evolutivo. Um desses cientistas é Michael Lynch, biólogo evolucionista da Universidade de Indiana (Indiana University), que escreve que “a deriva genética aleatória pode impor uma forte barreira para o avanço dos refinamentos moleculares através dos processos adaptativos” [50]. Ele observa que o efeito da deriva é “estimular a fixação de mutações deletérias fracas e desestimular a promoção de mutações benéficas” [51]. Da mesma forma, Eugene Koonin, um importante cientista do National Institutes of Health, explica que a deriva genética leva a “fixação aleatória de mudanças neutras ou até mesmo prejudiciais” [52].

Redundância complexa

Na visão de Lynch, existem muitos sistemas celulares que ajudam na sobrevivência, mas que são redundantes. Como resultado, eles servem como mecanismos de backup que só são usados quando um sistema primário altamente eficaz falhar. Em razão de eles só serem raramente utilizados, estes sistemas só são ocasionalmente expostos ao crivo da seleção. No entanto, estes sistemas podem ser extremamente complexos e eficientes. Como um sistema que é raramente utilizado, ou só é necessário as vezes, poderia evoluir para um nível tão elevado de complexidade e eficiência? Depois de observar as muitas “camadas” de mecanismos celulares complexos que estão envolvidos em processos como o da replicação de DNA, Lynch coloca uma questão crucial:

Embora estas linhas de defesa em camadas sejam claramente vantajosas e em muitos casos essenciais para a saúde das células, em razão de o aparecimento simultâneo de todos os componentes de um sistema ser implausível, várias questões surgem imediatamente. Como a seleção pode estimular a criação de camadas adicionais de mecanismos de reforço e de aptidão se as linhas primárias de defesa estabelecidas já estão altamente refinadas? [53]

Lynch não acredita que seleção natural esteja à altura da tarefa. Num artigo de 2007 do Proceedings of the U.S. National Academy of Sciences intitulado “The frailty of adaptive hypotheses for the origins of organismal complexity”, ele explica que entre biólogos evolucionistas, “o que está em questão é se a seleção natural é uma força necessária ou suficiente para explicar o surgimento das características celulares e genômicas centrais para a construção de organismos complexos” [54]. Usando uma linguagem similar, um artigo na revista Theoretical Biology and Medical Modelling conclui que “é importante que os biólogos estimassem de forma realista o que a seleção pode e não pode fazer em várias circunstâncias. A seleção poderia nem ser necessária nem suficiente para explicar inúmeros recursos celulares ou genômicos de organismos complexos” [55]. Lynch é claro em seus pontos de vista: “não há nenhuma evidência empírica ou teórica convincente de que a complexidade, a modularidade, a redundância ou outras características de vias genéticas sejam promovidas pela seleção natural” [56].

Condenado se você recorrer à seleção, condenado se você não recorrer

No lugar da seleção natural, no entanto, biólogos evolucionistas como Lynch propõem deriva genética aleatória para explicar a origem da características biológicas complexas. De acordo com Lynch, “muitos aspectos da complexidade em nível genômico, celular e molecular nas espécies multicelulares parecem dever suas origens a essas forças não adaptativas, representando pouco mais do que resultados passivos” [57]. Mas ele reconhece que esses “forças não adaptativas da evolução são de natureza estocástica” [58].

Estocástico, é claro, significa aleatório. Uma força estritamente aleatória – que não tem motivos para preservar características que poderiam fornecer alguma vantagem – conseguiria explicar as características biológicas de alta complexidade – como a replicação de DNA ou bioluminescência – que parecem bem ajustadas para realizar funções biológicas úteis? A bióloga Ann Gauger está cética em relação a explicação de Lynch, observando que ele “não oferece nenhuma explicação de como as forças não adaptativas poderiam produzir a complexidade genômica e funcional do organismos que observamos nas espécies modernas” [59]. Jerry Coyne aponta de maneira semelhante a grande deficiência nos apelos à deriva genética:

Tanto a deriva como a seleção natural produzem mudanças genéticas que nós reconhecemos como evolução. Mas existe uma diferença importante. A deriva é um processo aleatório, enquanto a seleção é a antítese da aleatoriedade… Como um processo puramente aleatório, a deriva genética não pode causar a evolução das adaptações. Ela nunca poderia construir uma asa ou um olho. Para isso é necessária seleção natural não aleatória. O que a deriva pode fazer é causar a evolução de características que não são nem úteis nem prejudiciais para o organismo [60].

Coyne ainda observa: “A influência deste processo sobre importantes mudanças evolutivas, porém, é provavelmente pequena, porque ela não tem o poder de moldagem da seleção natural. A seleção natural continua a ser o único processo que pode produzir adaptação” [61]. Mas concordando com Lynch num certo sentido, ele mesmo reconhece que “deriva genética não é só incapaz de criar adaptações, como também pode realmente se sobrepor à seleção natural” [62].

O debate sobre se a seleção natural ou se a deriva genética é mais influente na evolução vai continuar, sem dúvida. Mas há poucas razões para crer, seja qual lado que ganhe este debate, que uma solução materialista viável seja oferecida. A biologia evolutiva encontra-se agora diante de um situação paradoxal:

  • A seleção natural é um mecanismo muito ineficiente para superar as forças aleatórias e fixar os tipos de adaptações complexas que observamos na população, pois ela é facilmente vencida por forças aleatórias como na deriva genética.
  • A vida está repleta de adaptações altamente complexas e eficientes, mas a deriva genética aleatória não oferece nenhuma razão justificável para se acreditar que tais características tenham qualquer motivo para surgir.

Em essência, a deriva genética é como recorrer ao mecanismo de “mutação e seleção”, só que menos toda a seleção. Isso expõe a deriva a todas as dificuldades que vimos no Problema 3, onde as mutações aleatórias não eram capazes de construir aspectos bioquímicos como proteínas funcionais, ou simples interações proteína-proteína, porque várias mutações coordenadas seriam necessárias para produzir essas características. Retirada a seleção, não há nenhuma razão para que mutações aleatórias sozinhas – ou seja, a deriva genética – produzam algo útil.

Infelizmente, o público é raramente alertado sobre esses problemas ou sobre esse debate. De acordo com Lynch, a seleção natural é normalmente retratada como um “mecanismo todo-poderoso (sem qualquer prova direta)” [63], que pode construir características biológicas complexas. Ele alerta que “o mito de que toda a evolução possa ser explicada por adaptação continua a ser perpetuado por causa da nossa reverência contínua ao tratado de Darwin na literatura popular” [64]. A verdade é que nem forças não aleatórias, como a seleção natural, nem forças aleatórias, como deriva genética, conseguem explicar a origem de muitas características biológicas complexas.

Texto traduzido e adaptado de ENV.

Referências:

[49] Scott Gilbert, Stuart Newman e Graham Budd citados em John Whitfield, “Biological theory: Postmodern evolution?”, Nature, 455: 281-284 (17/09/2008).

[50] Michael Lynch, “Evolutionary layering and the limits to cellular perfection”, Proceedings of the U.S. National Academy of Sciences (2012), disponível aqui.

[51] Michael Lynch, “The frailty of adaptive hypotheses for the origins of organismal complexity”, Proceedings of the U.S. National Academy of Sciences, 104: 8597-8604 (15/05/2007).

[52] Eugene V. Koonin, “Darwinian evolution in the light of genomics”, Nucleic Acids Research (2009): 1-24, disponível aqui.

[53] Ibid.

[54] Michael Lynch, “The frailty of adaptive hypotheses for the origins of organismal complexity”, Proceedings of the U.S. National Academy of Sciences, 104: 8597-8604 (15/05/2007).

[55] Chase W. Nelson and John C. Sanford, “The effects of low-impact mutations in digital organisms”, Theoretical Biology and Medical Modelling, 8:9 (2011).

[56] Michael Lynch, “The evolution of genetic networks by non-adaptive processes”, Nature Reviews Genetics, 8:803-813 (outubro de 2007).

[57] Ibid.

[58] Michael Lynch, “The frailty of adaptive hypotheses for the origins of organismal complexity”, Proceedings of the U.S. National Academy of Sciences, 104: 8597-8604 (15/05/2007).

[59] Ann Gauger, “The Frailty of the Darwinian Hypothesis, Part 2”, Evolution News & Views (14/07/2009), disponível aqui.

[60] Jerry A. Coyne, Why Evolution is True, p. 123 (Viking, 2009).

[61] Ibid., p. 13.

[62] Ibid., p. 124.

[63] Michael Lynch, “The frailty of adaptive hypotheses for the origins of organismal complexity”, Proceedings of the U.S. National Academy of Sciences, 104: 8597-8604 (15/05/2007).

[64] Ibid.

Problema 2: Processos químicos sem controle não conseguem explicar a origem do código genético

Imagem: Mar primordial, em Serendigity/Flickr

Nota do tradutor: esta é a parte 2 da série de 10 artigos sobre os problemas científicos da evolução biológica e química. A série é baseada no capítulo “The Top Ten Scientific Problems with Biological and Chemical Evolution” de autoria de Casey Luskin no livro More than Myth, editado por Paul Brown e Robert Stackpole (Chartwell Press, 2014). Eis a lista de todos os artigos: Artigo introdutório, Problema 1, Problema 2, Problema 3, Problema 4, Problema 5, Problema 6, Problema 7, Problema 8, Problema 9, Problema 10.


Vamos supor que um mar primordial repleto dos blocos de construção da vida realmente tivesse existido na Terra primitiva e que, de alguma forma, tenha produzido proteínas e outras moléculas orgânicas complexas. Os teóricos acreditam que o próximo passo na origem da vida é que — totalmente por acaso — moléculas cada vez mais complexas se formaram até que algumas delas começaram a se auto-replicar. Daí em diante, eles acreditam que a seleção natural darwiniana tomou conta, favorecendo aquelas moléculas que eram mais capazes de fazer cópias de si mesmas. Eventualmente, eles acreditam, era inevitável que essas moléculas poderiam evoluir para máquinas complexas — como as usadas no código genético de hoje — para sobreviverem e se reproduzirem.

Os modernos teóricos da origem da vida já explicaram como ocorreu essa passagem crítica de substâncias químicas inertes e não-vivas até sistemas moleculares auto-replicantes? A hipótese mais promissora para a origem da primeira vida é chamada de “mundo do RNA”. Em células vivas, a informação genética é carregada pelo DNA, e a maioria das funções celulares são realizadas pelas proteínas. No entanto, o RNA é capaz de ambas as tarefas, transportando informação genética e catalisar algumas reações bioquímicas. Como resultado, alguns teóricos postulam que a primeira vida poderia ter usado só RNA para cumprir todas essas funções.

Mas há muitos problemas com essa hipótese.

Em primeiro lugar, as primeiras moléculas de RNA teriam de surgir por processos químicos não biológicos e sem controle. Mas o RNA não é conhecido por ser montado sem a ajuda de um químico laboratorial treinado, controlando o processo de maneira inteligente. O químico da Universidade de Nova York Robert Shapiro criticou os esforços daqueles que tentaram produzir RNA no laboratório, afirmando: “A falha está na lógica — que esse controle experimental por pesquisadores em um laboratório moderno poderia estar disponível na Terra primitiva” [15].

Em segundo lugar, enquanto tem sido demonstrado que o RNA executa muitas funções na célula, não há nenhuma evidência de que ele possa executar todas as funções celulares necessárias atualmente desempenhadas por proteínas [16].

Em terceiro lugar, a hipótese do mundo do RNA não explica a origem da informação genética.

Defensores do mundo do RNA sugerem que, se a primeira vida auto-replicante foi baseada em RNA, seria necessária uma molécula de 200 a 300 nucleotídeos de comprimento [17]. No entanto, não há leis físicas ou químicas conhecidas que determinam a ordem dos nucleotídeos [18]. Para explicar a ordem dos nucleotídeos na primeira molécula de RNA auto-replicante, os materialistas devem recorrer ao mero acaso. Mas a chance de especificar, digamos, 250 nucleotídeos em uma molécula de RNA por acaso é de cerca de 1 em 10150 – abaixo do limite de probabilidade universal, ou de eventos que estão muito longe do possível de ocorrer na história do universo [19]. Shapiro expõe o problema desta maneira:

O aparecimento súbito de uma grande molécula auto-replicante tal como o RNA era extremamente improvável… [A probabilidade] é tão ínfima tal que o seu acontecimento uma vez sequer em qualquer lugar do universo visível já contaria como uma obra de muita sorte [20].

Em quarto lugar — e mais fundamental –, a hipótese do mundo do RNA não explica a origem do código genético em si. A fim de evoluir para a vida baseada em DNA e proteínas que existem hoje, o mundo do RNA precisaria desenvolver a capacidade de converter informações genéticas em proteínas. No entanto, este processo de transcrição e tradução requer um conjunto grande de proteínas e máquinas moleculares, que são eles mesmos codificados por informação genética. Isso traz o típico problema do ovo e da galinha, onde as enzimas essenciais e máquinas moleculares são necessárias para executar a tarefa mesma que as constroem.

A galinha e o DVD

Para avaliar esse problema, considere a origem do primeiro DVD e do primeiro leitor de DVD. DVDs são ricos em informações, mas sem os mecanismos do leitor de DVD para ler o disco, processar sua informação, e convertê-la em uma imagem e som, o disco seria inútil. Mas e se as instruções para a construção do primeiro aparelho de DVD só fossem encontradas codificadas em um DVD? Você nunca poderia rodar o DVD para aprender a construir um leitor de DVD. Então como o primeiro disco e o primeiro leitor de DVD teriam surgido? A resposta é óbvia: um processo controlado com objetivo — design inteligente — é necessário para produzir tanto o leitor como o disco ao mesmo tempo.

Em células vivas, as moléculas de transporte de informação (por exemplo, DNA ou RNA) são como o DVD, e a maquinaria celular que lê essa informação e a converte em proteínas são como o leitor de DVD. Assim como a analogia do DVD, a informação genética nunca poderia ser convertida em proteínas sem a maquinaria adequada. No entanto, nas células, as máquinas necessárias para o processamento da informação genética no RNA ou DNA são codificados por essas mesmas moléculas genéticas – elas executam e controlam a própria tarefa que as constrói.

Este sistema não pode existir, a menos que tanto a informação genética quanto o mecanismo de transcrição/tradução estejam presentes ao mesmo tempo e que ambos falem a mesma língua. O biólogo Frank Salisbury explicou esse problema em um artigo do American Biology Teacher não muito depois de o funcionamento do código genético ter sido descoberto pela primeira vez:

É interessante falar sobre moléculas de DNA replicantes provenientes de um mar-sopa, mas nas células modernas essa replicação requer a presença de enzimas adequadas… A ligação entre o DNA e a enzima é altamente complexa, envolvendo RNA e enzima para a sua síntese em um modelo de DNA; ribossomos; enzimas para ativar os aminoácidos; e moléculas de RNA de transferência… Como, na ausência da enzima final, a seleção poderia agir sobre o DNA e todos os mecanismos para replica-lo? É como se tudo devesse acontecer ao mesmo tempo: todo o sistema deve vir a existir como uma unidade, ou ele é inútil. Pode muito bem existirem maneiras de sair deste dilema, mas eu não as vejo no momento [21].

Apesar de décadas de trabalho, os teóricos da origem da vida ainda estão perdidos em explicar como esse sistema surgiu. Em 2007, o químico de Harvard George Whitesides recebeu a Medalha Priestley, o maior prêmio da American Chemical Society. Durante seu discurso de aceitação, ele deu essa análise firme, reproduzida na respeitada revista Chemical and Engineering News:

A origem da vida. Este problema é um dos grandes da ciência. Ele começa colocando a vida, e nós, no universo. A maioria dos químicos acreditam, como eu, que a vida surgiu espontaneamente a partir de misturas de moléculas na Terra pré-biótica. Como? Eu não faço idéia. [22]

De forma similar, o referido artigo em Cell Biology International conclui: “Novas abordagens para investigar a origem do código genético são necessárias. As limitações da ciência histórica são tais que a origem da vida poderá nunca ser entendida” [23]. Ou seja, as limitações poderão nunca ser entendidas, a menos que os cientistas estejam dispostos a considerar explicações científicas que levem em conta a intencionalidade, como o design inteligente.

Mas há um problema muito mais profundo com as teorias da evolução química, bem como as da evolução biológica. Isto não se refere apenas à capacidade de processar informação genética através do código genético, mas à origem mesma da informação.

Texto traduzido e adaptado de ENV.

Referências:

[15] Richard Van Noorden, “RNA world easier to make”, Nature News (13/05/2009), http://www.nature.com/news/2009/090513/full/news.2009.471.html, ou https://archive.is/7PvCJ.

[16] Veja Stephen C. Meyer, Signature in the Cell: DNA and the Evidence for Intelligent Design, p.304 (New York: HarperOne, 2009).

[17] Jack W. Szostak, David P. Bartel, e P. Luigi Luisi, “Synthesizing Life”, Nature, 409: 387-390 (18/01/2001).

[18] Michael Polanyi, “Life’s Irreducible Structure”, Science, 160 (3834): 1308-1312 (21/06/1968).

[19] Veja William A. Dembski, The Design Inference: Eliminating Chance through Small Probabilities (Cambridge University Press, 1998).

[20] Robert Shapiro, “A Simpler Origin for Life”, Scientific American, pp. 46-53 (junho de 2007).

[21] Frank B. Salisbury, “Doubts about the Modern Synthetic Theory of Evolution”, American Biology Teacher, 33: 335-338 (setembro de 1971).

[22] George M. Whitesides, “Revolutions In Chemistry: Priestley Medalist George M. Whitesides’ Address”, Chemical and Engineering News, 85: 12-17 (26/03/2007).

[23] J.T. Trevors e D.L. Abel, “Chance and necessity do not explain the origin of life”, Cell Biology International, 28: 729-739 (2004).