O pássaro bizarro que está quebrando a árvore da vida
Quando Josefin Stiller estava crescendo em Berlim, ela adorava ler sobre deuses gregos em uma enciclopédia de mitologia. No entanto, ela muitas vezes perdia a noção de seus relacionamentos - suas brigas, encontros e traições - enquanto folheava as entradas. Frustrada, ela escreveu cada nome em um cartão e começou a organizar as crianças abaixo dos pais em uma mesa em seu quarto. À medida que as linhagens se tornavam claras, o mesmo acontecia com os dramas familiares. Filhos mataram pais; tios sequestraram sobrinhas; irmãos se apaixonaram. “Eu me pergunto se essa experiência de reconstruir uma árvore genealógica me preparou para apreciar as árvores e os poderosos insights que elas contêm”, Stiller me disse em um e-mail recente.
Anos depois, como estudante de graduação em biologia, Stiller trabalhou em uma árvore evolutiva para cavalos-marinhos e seus parentes, usando DNA para entender a ancestralidade de diferentes espécies. Então, em 2017, ela se mudou para a Universidade de Copenhague e ingressou no B10K, uma colaboração científica que visa sequenciar o genoma de todas as espécies de aves – mais de dez mil ao todo – e revelar suas conexões em uma árvore abrangente. A quantidade de dados e poder de computação necessários para esta missão é quase insondável, mas o produto final deve ser tão simples em princípio quanto o diagrama que Stiller montou quando criança. “Tudo na biologia tem uma história, e podemos mostrar essa história como uma árvore bifurcada”, disse ela.
As aves são os vertebrados mais diversos em terra e sempre foram centrais para as ideias sobre o mundo natural. Em 1837, um taxonomista de Londres disse a Charles Darwin que os tentilhões que ele havia abatido e amontoado descuidadamente nas Ilhas Galápagos eram, na verdade, de muitas espécies diferentes. Darwin se perguntou se os tentilhões poderiam ter compartilhado um ancestral comum da América do Sul continental – se toda a vida poderia ter evoluído através de um processo de “descida com modificação” – e desenhou uma árvore rudimentar em seu caderno particular, abaixo das palavras “Acho que .” A árvore mostrou como uma única população ancestral pode se ramificar em muitas espécies, cada uma com seu próprio caminho evolutivo. “ Sobre a Origem das Espécies”, publicado vinte e dois anos depois, inclui apenas um diagrama: uma árvore evolutiva. A árvore da vida tornou-se para a biologia o que a tabela periódica foi para a química – tanto uma base quanto um emblema para o campo. “Acredito que chegará o tempo, embora não viva para vê-lo, em que teremos árvores genealógicas bastante verdadeiras de cada grande reino da natureza”, escreveu Darwin a um amigo.
A ascensão do sequenciamento do genoma, na virada do século XXI, parecia trazer o sonho de Darwin ao seu alcance. “Agora é realista conceber a reconstrução de toda a Árvore da Vida – eventualmente para incluir todas as espécies vivas e extintas”, escreveu Joel Cracraft, curador de pássaros do Museu Americano de História Natural, em 2004. O naturalista EO Wilson previu que tal árvore poderia unificar a biologia. Seu valor para áreas como agricultura, conservação e medicina seria incalculável; as árvores evolutivas já aprofundaram nossa compreensão do sars -CoV-2 , o vírus que causa o covid- 19. Ao mapear um ramo importante na árvore da vida, o B10K visa iluminar o caminho.
Quando Stiller se juntou ao projeto, seus colegas estavam vasculhando museus e laboratórios para amostrar trezentas e sessenta e três espécies de aves, escolhidas cuidadosamente para representar a diversidade de aves vivas. Com a ajuda de quatro supercomputadores em três países diferentes, eles começaram a comparar o DNA de cada pássaro para descobrir como eles estavam relacionados. “Acho que sempre houve essa ideia de que, assim que sequenciarmos genomas completos, seremos capazes de resolvê-lo”, me disse Stiller. Mas, no início do processo, ela encontrou um enigma evolutivo chamado Opisthocomus hoazin . “Fiquei completamente impressionada com esse pássaro”, disse ela.
Hoatzins, que vivem ao longo de lagos marginais na América do Sul tropical, têm olhos vermelho-sangue, bochechas azuis e cristas de penas ruivas pontiagudas. Seus filhotes têm garras primitivas em suas pequenas asas e respondem ao perigo mergulhando na água e depois voltando para seus ninhos – uma característica que inspirou alguns ornitólogos a vinculá-los aos dinossauros. Outros taxonomistas argumentaram que a cigana está intimamente relacionada com faisões, cucos, pombos e um grupo de pássaros africanos chamados turacos.
Alejandro Grajal, diretor do Woodland Park Zoo de Seattle, disse que o pássaro se parece com uma “galinha punk-rock” e cheira a esterco porque digere as folhas por fermentação bacteriana, semelhante a uma vaca.
A pesquisa de DNA não resolveu os mistérios da cigana; os aprofundou.
Uma análise de 2014 sugeriu que os parentes vivos mais próximos do pássaro são guindastes e aves marinhas, como gaivotas e tarambolas. Outro, em 2020, concluiu que esse voador desajeitado é uma espécie irmã de um grupo que inclui minúsculos beija-flores pairando e andorinhões de alta velocidade. “Francamente, não há ninguém no mundo que saiba o que são ciganas”, disse Cracraft, que agora é membro do B10K.
A cigana pode ser mais do que uma peça que faltava no quebra-cabeça evolutivo. Pode ser uma esfinge com um enigma que muitos biólogos relutam em considerar: e se o padrão de evolução não for realmente uma árvore?
Fósseis que se assemelham a ciganas foram encontrados na Europa e na África, mas hoje as aves podem ser encontradas apenas nas bacias dos rios Amazonas e Orinoco da América do Sul. Eu moro na Alemanha, então os visitei no Museu de História Natural de Berlim, onde os armários estão cheios de milhares de pássaros empalhados. Sylke Frahnert, a curadora de pássaros, mantinha duas ciganas de taxidermia em uma prateleira perto dos cucos e turacos, que parece um lugar tão bom quanto qualquer outro. Ao longo dos anos, houve tantas árvores de pássaros conflitantes, ela me disse. “Você teria sido louco para mudar a coleção com cada um.” Um dos ciganos do museu foi filmado no Brasil há mais de dois séculos, e os anos drenaram a cor de seu rosto. Ouvi dizer que até os espécimes cheiram a esterco, mas Frahnert me avisou para não cheirá-los,
No século XVIII, os museus de história natural começaram a usar semelhanças anatômicas para classificar plantas e animais em categorias cada vez mais específicas: classe, ordem, família, gênero, espécie. Darwin percebeu que as espécies compartilham traços porque seus ancestrais eram um e o mesmo. Peixes, anfíbios, répteis, pássaros e mamíferos têm espinhos, mas não porque Deus os deu a cada criatura separadamente; em vez disso, a lombada sugeria um “pai comum” vivendo há muito tempo. A construção de árvores evolutivas foi apelidada de “filogenia”, que significa literalmente “a geração de espécies”, pelo zoólogo Ernst Haeckel. Quanto mais características duas espécies compartilhavam, segundo a teoria, mais recentemente elas compartilhavam um ancestral comum. Os seres humanos e outros grandes símios evoluíram de um ancestral comum há milhões de anos,
Hoatzins – “em alguns aspectos, o mais aberrante dos pássaros”, segundo um ornitólogo vitoriano – foram um problema desde o início. Os primeiros naturalistas europeus os descreveram como faisões, e a primeira grande árvore para pássaros, publicada em 1888 por Max Fürbringer, os colocou no galho das aves. Mas, no início dos anos 1900, alguns cientistas comparavam ciganos e cucos com base em características como mandíbulas e penas, e outros notavam semelhanças entre ciganos e turacos, pombos, corujas-das-torres e trilhos. Até os parasitas da cigana desafiavam a classificação: eles hospedavam piolhos de penas encontrados em nenhum outro pássaro.
Um problema crucial na filogenia foi a evolução convergente. Às vezes, a seleção natural empurra dois organismos para a mesma característica.
Aves e morcegos desenvolveram independentemente a capacidade de voar. Andorinhas e andorinhas evoluíram para insetívoros aerodinâmicos com silhuetas quase idênticas, mas características como seus órgãos vocais e ossos do pé revelam que eles são apenas parentes distantes. Como os taxonomistas muitas vezes discordavam sobre coisas como distinguir ancestralidade comum de evolução convergente, a literatura cresceu com árvores conflitantes, a ponto de alguns biólogos do século XX parecerem dispostos a desistir. “A construção de árvores filogenéticas abriu as portas para uma onda de especulação desinibida”, escreveu um deles em 1959. “A ciência termina onde a morfologia comparativa, a fisiologia comparativa, a etologia comparativa nos falharam”.
A filogenia voltou nos anos setenta e oitenta, depois que o entomologista alemão Willi Hennig desenvolveu critérios mais rigorosos para identificar ancestralidade comum e desenhar árvores evolutivas. Essas inovações lançaram as bases para uma nova onda de pesquisa que não dependia apenas de espécimes físicos, mas sim da emergente ciência do DNA. “Os organismos estão relacionados entre si pelo grau em que compartilham informações genéticas”, escreveram dois ornitólogos no início dos anos 90, acrescentando que a genética pode revelar “uma visão diferente do processo de evolução e seus efeitos”. O genoma típico das aves é uma sequência de mais de um bilhão de pares de bases que sofrem mutações aleatórias ao longo do tempo. Os cientistas podem comparar as mesmas partes do genoma em várias espécies para estimar sua proximidade evolutiva. Tipicamente,
O sequenciamento inicial era caro e tedioso, mas, no início do século XXI, um sinal estava emergindo do ruído. A revista Nature publicou um artigo sobre a promessa de uma única árvore unificada da vida. Mas seu autor também identificou uma complicação: cada genoma contém muitos genes diferentes, e cada um pode gerar uma árvore evolutiva diferente.
Em 2001, um artigo no Proceedings of the Royal Society identificou um par de irmãos pássaros tão improváveis quanto Arnold Schwarzenegger e Danny DeVito: o parente mais próximo do flamingo era um pequeno pássaro mergulhador chamado grebe. “Esse foi provavelmente o resultado mais surpreendente que alguém já obteve”, disse-me Peter Houde, um biólogo de aves da New Mexico State University.
Os ornitólogos sempre raciocinaram que os mergulhões estavam intimamente relacionados aos mergulhões de pernas curtas, enquanto as aves pernaltas altas, como flamingos, cegonhas e garças, provavelmente tinham um ancestral comum de pernas longas.
Esse foi o primeiro dominó a cair. Em 2008, a Science publicou uma nova árvore aviária baseada em DNA. A pesquisa liderada por Shannon Hackett, Rebecca Kimball e Sushma Reddy, cientistas afiliados ao Field Museum e à Universidade da Flórida, examinou dezenove partes dos genomas de cento e sessenta e nove espécies de aves. A “raiz” de sua árvore se assemelhava a árvores baseadas em espécimes físicos: pássaros grandes e que não voam, como avestruzes, emas e kiwis – conhecidos coletivamente como ratitas – foram os primeiros a divergir de todos os outros, seguidos por aves terrestres e aquáticas.
Os restantes noventa e cinco por cento das aves vivas, de papagaios a pinguins e pombos, são conhecidos como “pássaros modernos” e descendem de um ancestral comum, provavelmente na época em que um asteroide atingiu a Terra, sessenta e seis milhões de anos atrás, eos dinossauros foram extintos .
A ordem mais jovem – passeriformes, que inclui todos os pássaros canoros – se ramificou em impressionantes seis mil espécies no período de dezenas de milhões de anos. A árvore genética das aves modernas estava enfeitada com relações que poucos taxonomistas, se é que existiam, adivinharam a partir da anatomia; grupos-chave como papagaios, corujas, pica-paus, abutres e grous mudaram de lugar.
Os cientistas há muito presumiam, por exemplo, que caçadores diurnos, como gaviões, águias e falcões, descendiam de uma única ave de rapina. Mas, na árvore genética, falcões e águias compartilhavam um galho com abutres, mas os falcões eram parentes mais próximos de passeriformes e papagaios. Isso significava que o falcão peregrino está mais intimamente relacionado com araras coloridas e pequenos pardais do que com qualquer gavião ou águia.
A explicação tradicional para a incapacidade de voar em ratites - que um ancestral comum divergiu em avestruzes, emas, emas, casuares e kiwis depois que os continentes do sul se separaram - também desmoronou.
O DNA mostrou que as ratitas também incluíam pássaros voadores chamados tinamous, sugerindo que o grupo evoluiu para não voar pelo menos três vezes separadas. "Esse estudo revolucionou nossa compreensão de como os principais grupos de pássaros vivos estão relacionados uns com os outros", disse Daniel J. Field, paleontólogo de aves da Universidade de Cambridge.
Os guias de observação de pássaros tiveram que reorganizar seus conteúdos para refletir as novas relações.
O que o estudo não conseguiu resolver foi a evolução inicial das aves modernas. Era fácil dizer quando faisões e avestruzes saíam da estrada da evolução das aves, mas os pássaros modernos não seguiam uma simples rampa de saída. Eles pareciam disparar em direções diferentes, como se cada tipo de pássaro tomasse uma saída diferente de uma rotatória movimentada.
De seu ancestral comum – talvez um pequeno pássaro terrestre que bicava sementes e insetos nas cinzas que o asteroide deixou para trás – os pássaros modernos se dividiram rapidamente em mais de meia dúzia de galhos. Mas os computadores mais rápidos da época não eram rápidos o suficiente para desembaraçá-los. Todos, exceto um desses ramos, se diversificaram em cerca de dez mil espécies de aves. O último pertencia apenas ao cigano. O estranho pássaro provavelmente fez a jornada até os dias atuais sozinho. “O enigmático Opisthocomus (hoatzin) ainda não pode ser colocado com confiança”, escreveu a equipe de Hackett.
As primeiras sequências do genoma humano exigiram centenas de cientistas e bilhões de dólares, mas os custos caíram rapidamente à medida que a tecnologia melhorou. Em 2010, Tom Gilbert, biólogo evolucionário da Universidade de Copenhague que estudou previamente o DNA de mamutes e humanos antigos, voltou sua atenção para o genoma do pombo. “Estou realmente interessado em saber como os pombos regulares da cidade se espalharam pelo mundo e se saíram tão bem”, ele me disse. Quando leu o estudo do grupo Hackett, ficou curioso sobre como o genoma do pombo poderia se encaixar no quadro mais amplo da evolução das aves. Ele se perguntou: “E se você tivesse o conjunto de dados perfeito – todo o genoma e não apenas partes dele?”
Com o neurobiólogo Erich Jarvis e o geneticista evolucionista Guojie Zhang, Gilbert montou uma equipe para continuar de onde pesquisadores como Hackett haviam parado. A equipe, que cresceu para mais de cento e vinte pesquisadores, usou nove centros de processamento de supercomputadores para sequenciar e analisar os genomas de quarenta e oito pássaros. (Eles pegaram a amostra de DNA do hoatzin de Houde, no Novo México.)
A árvore que eles desenvolveram – destaque na capa da Science, juntamente com uma imagem da cigana, em 2014 – confirmou muitas das descobertas do grupo Hackett, desafiou outras, revelou novas relações e usou fósseis para estimar as datas das divergências. Dentro de quinze milhões de anos da extinção dos dinossauros, todas as principais linhagens de pássaros modernos surgiram. O longo galho da cigana está ligado ao ancestral dos grous e aves marinhas. “É meio que uma ave aquática pantanosa”, Jarvis raciocinou. Mas ele e os outros pesquisadores não conseguiram um forte apoio estatístico para o ramo do hoatzin. Ele comparou as origens do pássaro com algumas das questões mais difíceis que enfrentou na neurobiologia. “Estudar a consciência ou a linguagem é o equivalente a descobrir onde a cigana pertence”, disse ele.
No ano seguinte, o jornal rival Nature publicou mais uma árvore. O ornitólogo de Yale Richard Prum argumentou que quarenta e oito espécies eram muito poucas, então sua equipe comparou cento e noventa e oito, sequenciando uma porção muito menor de seu DNA. Nesta árvore, vários ramos mudaram de lugar na época em que os dinossauros foram extintos, sugerindo novas relações para pombas e pombos; beija-flores, andorinhões e seus parentes; e, claro, a cigana.
Em vez de produzir uma árvore da vida com autoridade, o DNA havia enraizado o desacordo na parte da árvore mais crucial para a compreensão da diversidade das aves vivas. “Pode não haver investigação, dados ou análises que resolvam a localização de algumas dessas linhagens de pássaros”, disse-me Hackett.
A árvore está tão arraigada na biologia evolutiva que os cientistas encorajam o “pensamento da árvore”. Ao aprender a pensar em termos de árvores, os alunos podem evitar a falácia comum de ler a evolução como uma escada na qual os organismos mais simples se tornam mais complexos, como na famosa imagem “A Ascensão do Homem”, que mostra um macaco andando pelos dedos evoluindo para um humano reto. Apesar de todo o seu valor pedagógico, no entanto, a árvore também incorpora suposições sutis sobre a evolução.
A árvore tende a minimizar a variação genética dentro das espécies, o que pode obscurecer o fato de que ancestrais comuns são, na verdade, populações diversas que podem transmitir diferentes versões de um gene para diferentes descendentes. Conta uma história de interminável divisão e diversificação, com ramificações que divergem e nunca se reticulam.
Enquanto preparavam seu artigo, Gilbert e sua equipe mexeram em seu conjunto de dados para entender as diferenças entre as árvores genéticas. Quando eles disseram ao seu software de construção de árvores para se concentrar apenas nas regiões do genoma que a equipe de Prum usou, ele produziu uma árvore que se parecia com a de Prum. Quando eles mudaram o foco para outras regiões, surgiu uma árvore muito diferente. Quando eles dividiram seus genomas de pássaros em milhares de partes diferentes e executaram cada um em seu software, eles obtiveram milhares de árvores diferentes, e nenhuma correspondia completamente à “árvore de espécies” que eles construíram a partir de grandes porções de genomas. “Diferentes partes do genoma têm histórias diferentes”, percebeu Gilbert. Os genes não permanecem nas pistas da ancestralidade comum, mas podem se mover de forma muito mais imprevisível, como peças em ziguezague em um tabuleiro Plinko.
Em 2016, Alexander Suh, biólogo da equipe de 48 genomas, sobrepôs todas as diferentes árvores genéticas que eles geraram. A imagem resultante da evolução inicial das aves modernas, na época em que os dinossauros foram extintos, não era uma série ordenada de galhos divergentes, mas uma espécie de teia ou arrastão, cujos contornos se cruzavam constantemente. Em um artigo, Suh instou seus colegas a considerarem outros padrões de evolução – para discutir “menos sobre qual espécie de árvore é 'correta' e mais sobre se existe algo assim” como uma árvore tradicional da vida para pássaros modernos.
Quando menina, Stiller às vezes tinha problemas com sua árvore genealógica mitológica. “Colocar Zeus foi um pesadelo porque ele interagiu com todo mundo em algum momento”, ela lembrou. Parentes muitas vezes amontoados, trançando suas linhagens separadas novamente. Algo semelhante acontece na natureza quando uma espécie acasala com outra, produzindo um híbrido. Embora os biólogos que pensam em árvores costumavam pensar que a hibridização era extremamente rara, estudos genéticos mostraram que ela realmente acontece o tempo todo. O DNA humano indica que os primeiros Homo sapiens cruzaram com neandertais e outros hominídeos extintos. Estimativas conservadoras sugerem que pelo menos dez por cento das aves hibridizam; entre o maior grupo de aves da América do Sul, esse número é de trinta e oito por cento, de acordo com um estudo recente.
A hibridização pode ter sido desenfreada após o impacto do asteroide, quando as linhagens de pássaros modernos surgiram pela primeira vez. O cruzamento teria passado genes de um ramo da árvore para outro, acrescentando outra camada de complexidade em cima da classificação de linhagem incompleta. “Linhagens que se dividem e nunca mais se falam – não é assim que a biologia funciona”, disse Stiller. Ainda assim, ela continua esperançosa de que um dia possamos construir um diagrama oficial do passado. “Nossos modelos ainda são relativamente simples”, ela me disse. “Devemos ser capazes de reconstruir a história evolutiva se tivermos os modelos certos e os dados certos.”
Os contornos da evolução animal ainda se parecem muito com uma árvore em muitos lugares, e é por isso que os cientistas continuam gastando tanto tempo desenvolvendo e debatendo diferentes ramos. Mas, se o pensamento em árvore ensinou aos biólogos que tudo está conectado, os genes estão sugerindo que as conexões podem ser ainda mais profundas do que uma árvore pode capturar. Para obter uma imagem mais completa – e responder a perguntas como como uma mistura tão incomum de características se formou na cigana – os cientistas podem precisar pensar fora da árvore.
O B10K surgiu do grupo de quarenta e oito genomas e agora inclui cientistas da computação que se especializam não em árvores, mas em redes; eles tentam rastrear o movimento dos genes entre as ramificações e muitas vezes descobrem que mesmo os supercomputadores ainda não estão à altura do trabalho.
Nas análises preliminares do B10K, a cigana novamente acaba alinhada com guindastes e aves limícolas, mas a conclusão carece de cem por cento de suporte estatístico. “Ainda há muito conflito nos dados”, disse Stiller. “Dependendo de como você analisa, você terá diferentes posicionamentos.” Depois que o B10K terminar sua árvore para trezentos e sessenta e três pássaros, ele passará para os mais de dois mil gêneros de aves e, eventualmente, para todas as espécies de pássaros. Esses genomas criarão um retrato muito mais completo - mas, mesmo assim, podem não ser capazes de resolver o mistério da cigana ou reconstruir todos os bandidos na evolução inicial das aves modernas.
“Se a história evolutiva da cigana estivesse de acordo com os processos que já entendemos bem, provavelmente já teríamos descoberto com o que ela está mais intimamente relacionada”, escreveu Houde por e-mail. “O fato de não conhecermos seu parente mais próximo sugere que havia processos envolvidos que ainda não entendemos.” Ele indicou que o cigano poderia ter mais de um conjunto de parentes mais próximos – o que ele chamou de “uma perspectiva inquietante no contexto da classificação existente e nas mentes de muitos biólogos contemporâneos”.
Esse estado de coisas que soa estranho não é exclusivo do hoatzin; vemos isso em nosso próprio DNA. Os seres humanos compartilham seu ancestral comum mais recente com chimpanzés e bonobos, mas mais de dez por cento do genoma humano está, na verdade, mais intimamente relacionado ao genoma do gorila. Outra pequena fração do genoma humano também parece ser mais estreitamente compartilhada com um parente ainda mais distante: o orangotango. “Isso implica que não existe uma história evolutiva única do genoma humano”, escreveu uma equipe de biólogos moleculares em 2007.
Darwin terminou “A Origem das Espécies” com uma famosa descrição de “um banco emaranhado, coberto com muitas plantas de muitos tipos, com pássaros cantando nos arbustos, com vários insetos esvoaçando e com vermes rastejando pela terra úmida”. Os biólogos moleculares esperavam que os genes revelassem a forma verdadeira e final da árvore de Darwin. Em vez disso, eles encontraram um novo tipo de banco emaranhado, no qual as espécies estão conectadas de maneiras inesperadas. “Há grandeza nessa visão da vida”, escreveu Darwin sobre sua cena. Há grandeza, também, na visão da vida que está codificada no DNA. ♦
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