Ao longo do fundo escuro do rio Amazonas, peixes serpentinos chamados enguias elétricas vasculham a escuridão em busca de sapos incautos ou outras pequenas presas. Quando um deles nada, o peixe libera dois pulsos de eletricidade de 600 volts para atordoá-lo ou matá-lo. Essa tática de caça de alta voltagem é distinta, mas um punhado de outras espécies de peixes também usa eletricidade: eles geram e detectam voltagens mais fracas ao navegar em águas lamacentas e lentas e ao se comunicar com outros de sua espécie por meio de choques suaves semelhantes ao código morse .
Normalmente, quando várias espécies compartilham uma habilidade tão incomum quanto gerar eletricidade, é porque estão intimamente relacionadas. Mas os peixes elétricos nos rios da América do Sul e África abrangem seis grupos taxonômicos distintos, e há três outras linhagens marinhas de peixes elétricos além deles. Até mesmo Charles Darwin refletiu sobre a novidade de suas habilidades elétricas e a estranha distribuição taxonômica e geográfica deles em No Origem das Espécies, escrita, “É impossível conceber por quais etapas esses órgãos maravilhosos foram produzidos” – não apenas uma vez, mas repetidamente.
A artigo recente publicado em Os avanços da ciência ajuda a desvendar esse mistério evolutivo. “Na verdade, estamos apenas acompanhando Darwin, como a maioria dos biólogos faz”, disse Haroldo Zakon, biólogo integrador da Universidade do Texas, Austin e coautor sênior do estudo. Ao reunir pistas genômicas, sua equipe no Texas e colegas da Michigan State University descobriram como vários órgãos elétricos surpreendentemente semelhantes surgiram em linhagens de peixes elétricos separadas por aproximadamente 120 milhões de anos de evolução e 1,600 milhas de oceano. Como se vê, há mais de uma maneira de evoluir um órgão elétrico, mas a natureza tem alguns truques favoritos para recorrer.
Os peixes sul-americanos e africanos que o grupo de Zakon estuda obtêm seu zap de órgãos elétricos especializados que se estendem por grande parte de seu corpo. Células musculares modificadas chamadas eletrócitos nos órgãos criam gradientes de íons de sódio. Quando as proteínas do portão de sódio nas membranas dos eletrócitos se abrem, isso produz uma explosão de corrente. “É o sinal mais simples que você pode imaginar”, disse Zakon.
No músculo, esses sinais elétricos fluem através e entre as células para ajudá-las a se contrair para os movimentos, mas nos órgãos elétricos a voltagem é direcionada para fora. A força de cada choque depende de quantos eletrócitos disparam ao mesmo tempo. A maioria dos peixes elétricos dispara apenas alguns de cada vez, mas como as enguias elétricas possuem um número incomumente alto de células elétricas, elas podem liberar tensões poderosas o suficiente para matar presas pequenas.
No novo trabalho, Zakon, sua ex-técnica de pesquisa Sarah LaPotin (agora um doutorando na Universidade de Utah) e seus outros colegas reconstruíram um aspecto chave da evolução desses órgãos elétricos traçando a história genômica dos peixes.
Começou entre 320 milhões e 400 milhões de anos atrás, quando o ancestral de todos os peixes classificados como teleósteos sobreviveu a um raro acidente genético que duplicou todo o seu genoma. As duplicações de todo o genoma são muitas vezes mortais para os vertebrados. Mas porque criam cópias redundantes de tudo no genoma, as duplicações também podem abrir possibilidades genéticas anteriormente inexploradas. “De repente, você tem a capacidade de fazer um caminho totalmente novo, em vez de apenas um novo gene”, disse Gavin Conant, um biólogo de sistemas da North Carolina State University que não esteve envolvido no estudo.
Para os ancestrais mais recentes dos peixes elétricos de água doce de hoje, que são teleósteos, a duplicação significava que eles tinham uma cópia extra de um gene para uma importante bomba de sódio. Uma cópia continuou a funcionar nas células musculares; o segundo adquiriu mutações que conferiram propriedades elétricas distintas aos eletrócitos.
Mas, crucialmente, antes que qualquer adaptação elétrica específica do órgão pudesse ser adotada, essa segunda cópia do gene primeiro teve que ser desativada nas células musculares – caso contrário, as capacidades emergentes de eletrócitos teriam interferido no movimento. E quando Zakon e seus colegas analisaram como o peixe elétrico desligou o gene, ficaram surpresos ao descobrir que diferentes linhagens de peixes elétricos faziam isso de maneira diferente.
No tecido muscular do peixe africano, o gene da bomba de sódio ainda funcionava, mas, como uma fechadura sem chave, não podia ser ativado sem moléculas auxiliares que o tecido muscular não produzia. Na maioria dos peixes sul-americanos, a bomba estava faltando nos músculos – o gene da bomba de sódio estava em grande parte inativo porque estava faltando um elemento de controle essencial que aumenta especificamente a expressão da bomba de sódio no músculo. Em uma linhagem excêntrica de peixes sul-americanos, o gene ainda funcionava no músculo. Ele estava temporariamente inativo em peixes jovens, mas voltou a funcionar quando um conjunto totalmente diferente de genes assumiu o controle do canal de sódio no órgão elétrico à medida que o peixe amadureceu.
Assim, em um caso clássico de evolução convergente, as várias linhagens de peixes independentemente chegaram à estratégia de modificar seu tecido muscular para criar órgãos elétricos, e até o fizeram fazendo suas bombas de sódio funcionarem seletivamente em diferentes tecidos. Mas eles divergiram precisamente na forma como regulavam as bombas.
Muitas vezes, quando os cientistas investigam um caso de evolução convergente, os traços surgem essencialmente pelo mesmo mecanismo, explicado Johann Eberhart, biólogo molecular da Universidade do Texas, Austin e um dos coautores do novo estudo. “Mas isso foi bem diferente”, disse ele. “E eu acho isso emocionante.”
Conant observou que as novas descobertas “meio que espelharam o que vimos” na pesquisa de seu próprio grupo. Seu laboratório descobriu que, enquanto outros peixes teleósteos perderam certos genes duplicados para enviar sinais entre nervos e músculos, algumas linhagens de peixes elétricos os retiveram. Sem esses genes-chave colocando seus órgãos elétricos sob controle voluntário direto, as enguias elétricas não poderiam ter desenvolvido seu potente zap característico.
Zakon e seus colegas também estão intrigados com o significado potencial da região de controle que encontraram nos genes da bomba de sódio, uma vez que parece determinar com precisão quais tecidos expressam a proteína. A mesma região de controle aparece nas bombas de sódio de humanos e outros vertebrados. É possível que mutações que afetem a atividade da bomba em nossas células possam causar ou contribuir para vários problemas de saúde, como a condição de fraqueza muscular chamada miotonia.
A nova pesquisa aborda apenas alguns dos exemplos de convergência e divergência em exibição em peixes elétricos. Algumas linhagens sul-americanas produzem choques fracos usando neurônios modificados em vez de células musculares modificadas. Alguns peixes elétricos nos oceanos desenvolveram estratégias de eletrocussão mais bizarras; o astrônomo, por exemplo, administra choques de músculos modificados em seus olhos.
Mas, para Zakon, são as soluções convergentes que são mais úteis para resolver um quebra-cabeça fundamental da biologia: se você pudesse retroceder o curso da evolução, ela seria reproduzida da mesma maneira? Ver uma inovação única é “fascinante”, disse ele, mas “não responde à pergunta: 'Havia apenas uma maneira de chegar lá?'” A mistura de convergência e divergência vista em sistemas orgânicos como os dos diversos sistemas elétricos fish oferece uma visão muito mais rica de quão previsível – e peculiar – a biologia pode ser.
