O Tempo no Estudo de Evolução

Francisca C. do Val

 

…the general rule among animals is that time brings changes, that therefore time invariably brings change.

J. B. S. Haldane & Julian Huxley

General Processes of Evolution in Animal Biology, 1927

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A intenção deste capitulo é questionar de que forma a incorporação da dimensão temporal ao estudo dos organismos poderá contribuir para a melhor compreensão do processo evolutivo, principalmente no que diz respeito à origem das espécies.

Evolução é o ramo da ciência que trata da origem da vida e dos vários aspectos de como os organismos são estruturados, como funcionam, interagem e, principalmente, como se modificam ao longo do tempo geológico/histórico resultando na enorme diversidade que se encontra no presente.

Através de enfoques que vão de filosóficos aos especulativos e à modelagem matemática, das análises moleculares à experimentação em laboratório e a observações na natureza, os estudos evolutivos integram também o conhecimento produzido em muitos outros ramos das Ciências Biológicas como na Sistemática Animal e Vegetal, na Biogeografia, na Paleontologia, na Genética, na Biologia Molecular, na Biologia de Desenvolvimento, na Ecologia, em algumas áreas da Física, na Bioquímica, na Psicologia e na Filosofia, entre outras.

Observa-se, porém, que a literatura corrente em Evolução, que chama a atenção há algum tempo para a necessidade de uma "nova síntese evolutiva", que incorpore o conhecimento acumulado nos últimos 40-60 anos (Gould, 1980; Brooks, 1983; Carroll, 2000; Gilbert, 2000), ainda não assimilou a Cronobiologia e não discute de forma sistemática a dimensão temporal dos processos, nem considera o tempo como característica essencial da vida.

Apesar do progresso tecnológico e do avanço de várias áreas do conhecimento algumas questões fundamentais em Evolução estão ainda por ser elucidadas. Entre essas está a diferenciação de populações através do processo de especiação, que será discutida neste capítulo.

Como sugerido no capítulo 1, talvez a forma, predominantemente espacial (e linear), de se pensar sobre os organismos esteja impedindo a percepção de aspectos essenciais da organização dos seres vivos e de como se dá esse fluxo de "descendência com modificação" como proposto por Darwin. De que forma o entendimento e a incorporação da dimensão temporal aos estudos da Biologia poderão contribuir para compreensão do processo evolutivo, é a pergunta que se pretende responder a seguir.

1. O que é uma espécie

Historicamente e ainda hoje, a grande maioria das espécies é estudada, formalmente descrita e nomeada a partir da análise de sua morfologia externa e do local de sua ocorrência. Em muitos casos, as descrições são enriquecidas pela citação do habitat ocupado pela espécie, da distribuição geográfica, de alguns detalhes da biologia, comportamento ou morfologia de estruturas internas, geralmente dos órgãos do sistema reprodutivo.

Poucas espécies são conhecidas em maior profundidade na natureza, através de observações prolongadas como os Passeriformes ("tentilhões") das ilhas Galápagos (Grant & Grant, 1989a, b) e algumas espécies de borboletas Heliconius, respectivamente, estudadas durante várias décadas (Turner, 1981). Entretanto, décadas, ou mesmo séculos podem não representar escala de tempo suficiente para mudanças evolutivas.

Um número muito pequeno de animais e plantas é usado como modelo e esses são mais e melhor estudados, pois são facilmente criados e mantidos em laboratório. Além da espécie humana, são relativamente bem estudadas, entre os animais, algumas espécies de camundongos, ratos, moscas do gênero Drosophila, a abelha Apis mellifera, Caenorhabditis elegans, e entre as plantas, a Arabidopsis sp. e o milho Zea mays, por exemplo.

Para discutir a origem das espécies ou tentar entender os diversos aspectos que compõem o processo de especiação, é preciso entender bem o que seja uma espécie em toda sua complexidade, desde a estrutura morfológica, citológica, molecular, à fisiologia, genética, desenvolvimento ontológico, ao comportamento intraespecífico, sexual, social e em relação aos outros organismos e ao ambiente (biótico e abiótico), em toda a área geográfica em que a espécie é encontrada. É, portanto, óbvia a conclusão de que pouco se sabe sobre a maioria dos organismos que já existiram e desapareceram, ou dos que sobrevivem no presente. A inclusão de aspectos temporais como parte da caracterização das espécies, se adotada de forma consistente no futuro, poderá contribuir para a compreensão do processo de especiação com uma dimensão até agora bastante negligenciada nesta área de estudos.

Em muitos casos, o que se acreditava serem sistemas simples está sendo substituído pela compreensão de detalhes e da grande complexidade dos sistemas biológicos; é caso dos relógios biológicos, por exemplo, ou da Biologia de Desenvolvimento que mostra que no geral não existe uma relação direta, ou de um para um, entre genótipos e fenótipos. De um lado, genótipos diferentes podem resultar em expressões fenotípicas idênticas devido à canalização e a restrições ontológicas em vários níveis. Por outro, observa-se plasticidade fenotípica, e alguns estudos bem documentados ilustram o fato de genótipos idênticos resultarem em indivíduos com morfologias e comportamentos bem diferenciados. Exemplos extremos incluem polifenismos induzidos por predadores, pela dieta, pela composição do fotoperíodo, ou mesmo como resultado de experiências visuais dos indivíduos (Gilbert, 2000, e Wolf 1995, in Gilbert). As características fenotípicas de um indivíduo não são herdadas como tal por seus descendentes, mas o que é herdado é um conjunto de potencialidades para seu desenvolvimento, e as interações com o meio ambiente são também de grande importância.

O que se desenvolve ou se expressa num indivíduo não interfere naturalmente com as potencialidades transmitidas geneticamente aos seus descendentes, mas certamente afeta o destino do próprio indivíduo e, portanto, faz parte dos fatores que determinarão se ele sobreviverá e se terá descendentes (Simpson, 1944). West-Ebehard (1989) discute como a plasticidade fenotípica (geneticamente determinada), no caso de aspectos comportamentais dos indivíduos, pode iniciar e direcionar mudanças evolutivas. É fácil entender que aspectos do comportamento sejam mais passíveis de modificação e, portanto, mostrem mais plasticidade do que os aspectos morfológicos. É também lugar comum a percepção de que mudanças evolutivas possam ter início através de comportamentos alternativos. Entretanto, porque e como isso ocorre, deve ser analisado com cuidado. Para certos aspectos fixos da morfologia pode haver diversas opções comportamentais, ao passo que o contrário é raramente possível. Portanto a probabilidade da ocorrência de uma variação favorável, numa situação imprevista e nova em dado momento, é maior no caso de comportamentos do que da morfologia. Entretanto, a plasticidade dos comportamentos por si só não tem grande importância evolutiva; é preciso que ocorra uma combinação da plasticidade com a consistência de um dado comportamento em determinadas condições. A resposta genética à seleção dependerá da repetição da associação de um fenótipo específico (determinados aspectos morfológicos e comportamentais) sob pressão seletiva. No caso de um comportamento de defesa, ou fuga de predador, por exemplo, se o comportamento for consistente deverá conferir vantagem reprodutiva aos indivíduos que o executam, sendo, portanto, selecionados positivamente.

A repetição dos ciclos sazonais, dos ciclos lunares, dos ciclos CE e demais ritmos previsíveis da natureza certamente funcionaram como fortes agentes seletivos atuando de forma pervasiva durante toda a evolução da vida no planeta. Os estudos em Cronobiologia vêm agora demonstrando como os organismos respondem e se organizam para melhor sobreviver e competir em ambientes cíclicos, inclusive antecipando as mudanças. Entretanto, decodificar as marcas dos aspectos temporais ao longo da evolução biológica não é uma tarefa simples.

Assim, o entendimento da complexidade e diversidade das espécies vai muito além da tradicional discussão sobre os "conceitos de espécie" incluída em textos didáticos ou na literatura corrente. Os enfoques dessa discussão oscilam entre o filosófico e abstrato ao prático e operacional; Mayr (1963, 1976), Wiley (1981), Templeton (1989) e Hey (2001) apresentam boas revisões do assunto. Uma das dificuldades bastante comentada é a reunião de organismos assexuados e sexuados sob a mesma definição; Budd & Mishler (1990) sumarizam as discussões de um simpósio a esse respeito.

Espécies podem ser consideradas como sendo linhagens evolutivas únicas, definidas como o conjunto de todos os indivíduos passados e presentes que integram uma mesma unidade mantida por mecanismos de coesão. Estas linhagens compartilhariam de uma mesma história evolutiva e teriam a mesma composição genotípica, diferente de outras respectivas unidades com histórias evolutivas próprias (conceito evolutivo em Wiley, 1981; em Templeton, 1989 como conceito de coesão).

Outra noção predominante é ainda a do "conceito biológico", onde o isolamento reprodutivo é o critério fundamental para a caracterização das espécies. Esse conceito foi desenvolvido a partir de integração da Genética com a Sistemática, conhecida como o "Neo-Darwinismo" ou a "Teoria Sintética da Evolução" que ocorreu nas décadas de 1930 e 1940. Apesar do conceito biológico ter representado um grande avanço em relação ao conceito tipológico, que predominava anteriormente, é de difícil aplicação na maioria dos estudos e baseado em critério discutível. O enfoque tipológico ainda permeia grande parte da pesquisa biológica e das análises moleculares; o entendimento da dimensão populacional e o estudo de uma espécie que inclua dados da variabilidade genética e fenotípica em toda sua distribuição são ainda raros na literatura.

Basicamente é possível encarar as espécies, ou seja, o conjunto de indivíduos que constitui uma espécie, ou do ponto de vista intraespecífico dos mecanismos ou semelhanças que mantém o conjunto coeso, ou do ponto de vista "externo", interespecífico, ou seja, das diferenças ou do isolamento entre as espécies (Paterson, 1985; Wiley & Maiden, 1985; Templeton,1989).

Os diferentes aspectos da ordem temporal interna, do relógio biológico, dos ritmos endógenos e dos ajustes em relação aos estímulos ambientais podem estar diretamente relacionados tanto à coesão como à diferenciação das populações em organismos sexuados ou assexuados e podem, portanto, contribuir para a caracterização e a definição das espécies.

2. Características temporais das espécies

Muitos exemplos podem ser citados de plantas e animais observados desde a Antigüidade, caracterizados em relação aos ritmos sazonais, circadianos e ultradianos. As práticas humanas da caça e da pesca, antes mesmo da agricultura, em todas as culturas primitivas incluíam sempre o conhecimento dos ritmos da natureza, especialmente das espécies a serem utilizadas como alimento ou a serem evitadas por oferecer perigo.

Quanto aos ritmos sazonais, por exemplo, observa-se que a floração de espécies anuais ou perenes acontece com extrema regularidade ano após ano, principalmente em regiões temperadas. Ela é controlada por alguns genes que simultaneamente determinam o desenvolvimento das flores (Battey 2000). No Brasil, a floração das paineiras (com flores brancas ou rosadas, Chorisia speciosa) e das diferentes espécies de ipê (Tabebuia), identificadas visualmente como de cor amarela, rosa ou roxa, têm também, em geral, épocas de floração bem diferenciadas. Entre nós, podem ainda ser lembradas a época de migração e desova das tartarugas na Amazônia, a migração das tainhas vindas do sul durante os meses do inverno, a piracema em alguns rios, hoje prejudicada pela construção de barragens para usinas hidroelétricas, a migração anual de muitas aves, de algumas borboletas etc... Tauber e colaboradores (1986) discutem em grande detalhe as adaptações sazonais em insetos, e listam entre os fatores ambientais mais estudados, a composição do fotoperíodo, a temperatura, a disponibilidade de alimentos, a densidade populacional e a umidade. A herdabilidade dos ciclos sazonais no neuróptero Chrysoperla é demonstrada por Tauber & Tauber (1987). Masaki e colaboradores em vários trabalhos, (Masaki, 1967, 1972, 1978 em Tauber et alii, 1986), discutem o papel do ajuste aos diferentes fotoperíodos característicos para cada estação do ano, diapausas e taxas de desenvolvimento em grilos japoneses do gênero Teleogryllus. Sih e Ziemba (2000) chamam a atenção para o aspecto das variações temporais (ciclos sazonais, lunares e diários) no caso do risco de predação, como uma das características básicas da natureza, porém negligenciada até recentemente na maioria dos modelos propostos.

Nas várias espécies cronologicamente bem estudadas, são características, o período em livre curso (T), a relação de fase entre o ritmo arrastado e o ciclo ambiental (psi), e a própria curva de resposta de fase (capítulo 3). Como outras características temporais, essas são geneticamente controladas, sujeitas à seleção natural, à seleção sexual e, portanto, às mudanças evolutivas. Espécies tipicamente diurnas, noturnas, e crepusculares são conhecidas em diversos grupos de animais como, por exemplo, nos Anuros e entre os Lepidoptera. A classificação artificial dos Lepidoptera em diurnas e noturnas, que não corresponde a uma verdadeira separação filogenética da Ordem, indica que a diferenciação temporal possa ter ocorrido várias vezes dentro desta Ordem.

Entre os exemplos de especificidade dos ritmos ultradianos, podem ser citados o ritmo dos caranguejos "na enchente das marés"; os ciclos de atividade e repouso de muitas espécies de mamíferos (ex. humanos e roedores, capítulo 8) e de insetos (ex. mosquitos, abelhas), as canções de corte de várias espécies de Drosophila, o canto dos pássaros, as vocalizações das rãs, pererecas e sapos, o horário da abertura de muitas flores (ex., espécies de Convolvulaceae, do gênero Ipomoea, "bom-dia", ou Calonyction, "boa-noite"; espécies de Commelinaceae, "trapoerabas").

Desde a obtenção de mutantes que afetam os ritmos circadianos em Drosophila (Konopka & Benzer, 1971), muitos estudos foram realizados, e demonstrado que os mesmos alelos controlam tanto os ritmos circadianos de atividades como os ultradianos dos batimentos de asas em machos durante a corte sexual (Kyriacou & Hall, 1980). Yu e colaboradores (1987), por exemplo, a partir do mutante arrítmico (per°), para a freqüência circadiana, produziram em laboratório moscas rítmicas, introduzindo o locus per do tipo selvagem. As moscas descendentes apresentavam um padrão circadiano de atividade muito semelhante ao normal, porém as freqüências ultradianas do doador estavam modificadas. Hall & Kyriacou (1990) apresentam uma revisão da genética dos ritmos biológicos em Drosophila.

Estudos em linhagens transformadas de Drosophila melanogaster e Drosophila simulans, com o gene per contendo seqüências das duas espécies, mostraram que quatro aminoácidos das regiões menos conservadas do locus são responsáveis pela expressão do comportamento de corte específico de cada uma das espécies (Wheeler et alii, 1991). As características circadianas foram rapidamente restabelecidas, mas sem nenhuma especificidade, ao passo que as ultradianas mostraram-se altamente específicas para cada espécie. Modificações nessa seqüência impediriam o reconhecimento entre machos e fêmeas. Yamamoto & Nakano (1998) atualizam a discussão a respeito de outros alelos envolvidos na corte de Drosophila melanogaster através de estudos dos mutantes fruitless (fru), cacophony (cac), dissonance (diss) e croaker (cro).

Outros aspectos temporais que caracterizam as espécies incluem ritmos com freqüências não correlacionadas aos ciclos geofísicos tais como os ritmos de desenvolvimento, crescimento, maturação sexual, reprodução, envelhecimento e morte (capítulo 4). Dois fenômenos são geralmente comentados em relação aos aspectos temporais em estudos da Biologia do Desenvolvimento de plantas e de animais: a heterocronia e a alometria (Niklas, 1994; Gilbert, 2000). A heterocronia acontece quando há uma mudança do tempo relativo do desenvolvimento de caracteres de uma espécie, quando comparada a espécies ancestrais ou filogeneticamente próximas. É o caso, por exemplo, de uma mudança do período larval, através de um prolongamento ou de um encurtamento da fase larval, que pode manifestar-se de três formas extremas: a neotenia, a progenesis e o desenvolvimento direto. Em outras palavras, a heterocronia é uma mudança no tempo relativo entre dois processos ou dois módulos de desenvolvimento. Um módulo pode ter seu tempo alterado em relação à expressão de outro módulo do embrião. Outra conseqüência da modularidade em desenvolvimento é a alometria que ocorre quando as partes de um organismo crescem em taxas diferentes. Um exemplo dramático de alometria é a evolução e o desenvolvimento dos crânios com formas bem diferentes entre os vertebrados (Gilbert 2000).

A proposta da Cronobiologia de entender e quantificar a inter-relação entre os diversos níveis da organização temporal dos organismos através de estudos de modulação e intermodulação deverá resultar em descrições mais precisas das espécies.

Em resumo, tanto em nível genotípico, quanto nas expressões fenotípicas de uma espécie podem ser caracterizadas pelas duas formas através das quais se expressa a organização temporal, ou seja: a ritmicidade endógena e as reações e adaptações aos estímulos ambientais.

3. O tempo e a origem das espécies

Parece ser consenso geral de que mutações, recombinação, seleção e deriva genética sejam os principais fatores envolvidos tanto em processos de anagênese ou evolução filética, como nos de cladogênese. Entretanto, nos casos de cladogênese, onde populações ancestrais diferenciam-se dando origem a novas espécies, supõe-se que ocorram outros eventos demográficos, tais como a redução do tamanho das populações e hibridações, que vão além dos eventos que resultam nas adaptações dentro de uma mesma população panmítica, como acontece no caso de anagênese (Carson, 1982, 1987).

Como podem ser integrados os novos conceitos e o conhecimento produzido em Cronobiologia ao entendimento do processo de cladogênese? Em outras palavras, qual a importância e a ubiqüidade das mudanças no sistema temporal endógeno em relação à diferenciação entre populações?

Quase quatro décadas da chamada "Revolução Molecular" (1966) já foram decorridas e o problema da origem das espécies, discutido por Darwin, no século XIX, ainda não foi completamente entendido. De acordo com Lewontin (1974), percebe-se que há ainda uma grande lacuna entre a descrição do processo de especiação em termos gerais e uma teoria quantitativa em termos de freqüência genotípica. Ainda não se sabe que porcentagem do genoma estaria envolvida nas primeiras etapas da divergência entre populações. Conforme já mencionado, talvez este atraso se deva, em parte, à predominância do pensamento linear (e espacial) que prevalece na Biologia. Nicolis (1995) chama a atenção para o fato de que a grande maioria dos fenômenos naturais não é bem descrita através dos sistemas lineares de simples proporcionalidade, ou seja, de que efeitos observados resultem de causas subjacentes controladas por leis simples de proporcionalidade. A descrição de fenômenos complexos como os de mudanças evolutivas ou de cladogênese deve ser efetuada através de leis apropriadas aos sistemas não-lineares, trazendo novas perspectivas para essas áreas de estudo. Em sistemas lineares, o resultado de duas ações diferentes quando combinadas corresponde ao efeito somado das duas ações, mas em sistemas não lineares, como devem ser interpretados os genomas, a combinação de duas ações ou de dois elementos pode resultar em novos efeitos completamente diferentes da somatória, refletindo a cooperação entre os elementos, como nos casos de epistasia, genes reguladores etc.

O aparecimento de novas estruturas ou eventos inesperados, representando transições abruptas, a formação de novos padrões, ou a evolução irregular e imprevisível no espaço e no tempo denominado de "caos determinístico" foi considerado por muito tempo como um "incômodo" pelos biólogos (Nicolis, 1995). O "caos" foi associado preferencialmente aos casos de doenças e de desorganizações de sistemas, e só recentemente o aspecto construtivo ou positivo está sendo entendido em sistemas de organização biológica complexa, como o das atividades do cérebro humano.

Nas últimas décadas, a combinação de métodos clássicos e moleculares tem permitido a compreensão de velhos problemas (Crow 1992). Começa-se a relacionar as diferenças fenotípicas entre as populações às mudanças genéticas. Na área de Cronobiologia, o conhecimento acumulado a respeito da genética dos relógios biológicos em Neurospora crassa e Drosophila melanogaster fornece as ferramentas necessárias para a investigação da evolução dos comportamentos e ritmos controlados pelos relógios em grupos de organismos filogeneticamente relacionados. Lewontin (1974) comenta ainda, que raramente é possível encontrar o que ele chama de especiação em "flagrante delicto", que representaria a primeiro estágio do processo. Na segunda etapa, ele inclui espécies em "statu nascendi" e cita exemplos de Drosophila do grupo willistoni e as semi-espécies de D. paulistorum. Na maioria dos casos, trabalha-se com espécies já bem diferenciadas que ele inclui na terceira etapa do processo de especiação, quando as populações separadas já sofreram posterior evolução filética. Fica difícil, portanto, o entendimento de quais seriam as causas do processo de especiação e quais seriam as características que aparecem como conseqüência da diferenciação. Larson (1989) é um dos que acredita na preponderância do acúmulo de diferenças posteriores, como a diferenciação morfológica. Lewontin (1974), assim como White (1978), examina quais são as diferenças genéticas entre espécies próximas em diferentes grupos de animais, antes de abordar o problema da genética do processo em si.

Autores como Bush (1982), por exemplo, acreditam que a dificuldade no entendimento da especiação deva-se ao fato de cada evento ser único e diferente, ou seja, cada caso seria um caso e as generalizações esbarrariam nas particularidades. Bush inclusive menciona que os mecanismos seriam exclusivos em cada população. Com isto ficam implícitas as dúvidas do autor frente à complexidade dos componentes genéticos do processo.

Carson (1982 e 1985), propõe um enfoque reducionista em total oposição à visão de Bush (1982), e aponta para a existência de aspectos comuns aos processos de especiação em plantas e animais. Para Carson, uma seqüência de duas fases seria uma constante nos eventos de especiação: uma fase de desorganização do genoma ancestral (conjunto complexo de sistemas poligênicos altamente co-adaptados e mantidos por seleção balanceadora) e uma fase de reorganização do novo sistema co-adaptado. Ele esclarece que adota uma definição bem abrangente de sistema poligênico, incluindo não só qualquer gene responsável por pequenas contribuições às variações quantitativas dos fenótipos, mas também, genes reguladores e outros genes que afetem o desenvolvimento e que possam ter grandes efeitos individuais. A fase de desorganização ocorreria essencialmente como conseqüência de forças estocásticas atuando sobre os sistemas poligênicos ancestrais balanceados, e aconteceria em um número relativamente reduzido de gerações através de recombinação genética, em condições de seleção relaxada em uma sub-população da população parental. Efeitos de fundação, hibridação, redução do tamanho da população in situ e mudança de superfície seletiva (Wright, 1977) podem contribuir para a desorganização.

A fase de reorganização, ao contrário, seria alcançada após centenas de milhares de gerações sob efeito de seleção estabilizadora. Dois conjuntos de características bastante distintas podem ser selecionados nesta segunda fase: adaptações alterando o sistema sexual e adaptações ao meio ambiente. Quanto aos mecanismos envolvidos, Carson não vê mistérios, mas mutações, recombinação, seleção e deriva genética.

Há quem pense diferente, tendo em vista a complexidade inesperada do DNA nuclear e mitocondrial, a existência de elementos móveis que rotineiramente transferem genes ou grupos de genes entre as espécies, as múltiplas formas de RNA, genes homeóticos, genes que ativam e desativam outros genes e que sugerem que a organização do genoma envolva mais do que deriva, seleção e adaptação (Brusca & Brusca, 1998). O enfoque reducionista de Carson coincide, entretanto, de certa forma, com o consenso resultante do aprofundamento de alguns estudos nas áreas de Biologia Molecular e Genética do Desenvolvimento que tem demonstrado a existência de processos comuns e padrões conservados ao longo de toda a escala evolutiva.

Foi surpreendente, neste sentido, verificar a existência de seqüências semelhantes em genes envolvidos no controle de alguns aspectos da ritmicidade em organismos filogeneticamente distantes como fungos Neurospora e moscas Drosophila (Mc Clung et alii, 1989) e entre plantas e vertebrados (Shin et alii 1985; Schweiger, 1987) sugerindo a existência de um padrão temporal básico, em parte altamente conservador (capítulo 10). Tanto o gene frequency (frq) de Neurospora, como o locus period (per) de Drosophila (capítulo 8) apresentam seqüências repetitivas conservadas alternadas com seqüências variáveis, não conservadas (Colot et alii, 1988; Liu et alii, 1992; Rutila et alii, 1992). As seqüências não conservadas sofrem muitas mutações e englobam, entre outros, os genes que codificam para as freqüências ultradianas das canções de corte dos machos em Drosophila.

A proposta de Carson (1975) de que parte do genoma não estaria disponível para combinações e, portanto, permaneceria "fechada" aos processos a que estariam sujeitas populações naturais à seleção, pode ser relacionada atualmente às regiões conservadas e não conservadas, detectadas em estudos de seqüenciamento do DNA, como no caso do gene per. Carson (1975) discute a importância de mudanças no sistema "aberto" dos organismos diplóides durante o processo de especiação.

Influenciados pelo pensamento dominante que dá grande importância ao isolamento reprodutivo como causa da especiação, Coyne & Orr (1989 a, b), revisam a literatura e tentam localizar o que há em comum quanto à genética do isolamento. Estes autores falam, como muitos outros, em "mecanismos" de isolamento e destacam duas constantes em especiação, que seriam dois padrões muito freqüentes em Biologia evolutiva: os efeitos predominantes dos cromossomos sexuais e a chamada "regra de Haldane", que prevê que em híbridos de espécies com cromossomos sexuais, o sexo heterogamético tem tendência a ser mais atingido por anomalias de fertilidade ou sobrevivência. Posteriormente, Coyne (1992) sugere que o locus period do cromossomo X seja um dos fortes candidatos a responsável pela especiação em Drosophila. Entretanto a ênfase dada por Coyne é no sentido do gene per estar envolvido entre as causas do isolamento reprodutivo, e não no ajuste temporal das espécies. Powell (1997) também discute a hipótese de que variações no locus period poderiam ser elementos importantes na diferenciação das espécies.

Carson (1985) chama a atenção para o fato de caracteres envolvidos no isolamento reprodutivo entre espécies animais serem provavelmente subprodutos acidentais que acompanham processos adaptativos em fases de anagênese e não devem ser chamados de "mecanismos". Ele acredita que a integridade das espécies, tanto de plantas como de animais, seja garantida basicamente por forças seletivas que aperfeiçoariam e manteriam determinadas normas adaptativas que caracterizam as espécies. Ao contrário do que pensam muitos pesquisadores, principalmente trabalhando com animais, hibridações inter-específicas não constituem sérias ameaças à coesão interna dos genomas.

Beck (1980) em seu livro sobre "fotoperiodismo" em insetos, além de examinar os casos de mutantes para ritmos circadianos em Drosophila, Neurospora e Chlamydomonas, inclui uma discussão sobre a importância das adaptações dos fotoperíodos no isolamento reprodutivo entre populações. Entre os exemplos de especiação relacionada à diferenciação temporal ele cita os estudos em Chrysopa por Tauber & Tauber (1977, a, b, c), os estudos em Teleogryllus por Masaki (1967, 1972) e estudos em mosquitos Wyeomyia por Bradshaw e Lounibos (1977). Tauber & Tauber (1989) também estão entre os poucos pesquisadores que apontam a diferenciação temporal como um dos fatores importantes envolvidos em muitos casos de especiação. Esses autores dão especial importância às situações de simpatria e às adaptações sazonais referindo-se ao processo de especiação alocrônica.

Um estudo interessante foi realizado por Baer (1999) na tentativa de entender a evolução do locus period e examinar a relação com a seleção sexual, considerada como o processo mais importante na diferenciação das espécies da fauna havaiana de Drosophila. Essa fauna foi objeto de um grande número de pesquisas durante as últimas quatro décadas, especialmente o grupo de moscas com asas manchadas (picture winged). Apesar disso, pouco se sabe sobre as bases genéticas de seus comportamentos de corte. Os resultados de Baer sugerem que no caso de algumas espécies, o padrão encontrado não é consistente com a hipótese de fixação neutra, mas é consistente com o gene period sendo um fator genético que contribui para a rápida evolução do comportamento de acasalamento através de seleção sexual. Val & Marques (em preparação) obtiveram dados sobre Drosophila heteroneura e Drosophila silvestris, espécies também analisadas por Baer, bastante próximas filogeneticamente, que inclusive produzem híbridos férteis em laboratório (Cradock, 1974; Val, 1977), mostrando diferenças nos ritmos de atividade e repouso em livre curso. Como as duas espécies ocorrem parcialmente em simpatria na ilha do Hawaii, é possível que além das diferenças específicas dos IPIs nas canções de corte dos machos (Hoikkala et al., 1994), controladas em parte pelo gene period, outras diferenças do sistema temporal contribuam para a coesão das populações isoladas entre si temporalmente, ou quanto ao comportamento.

Buscando, como Carson (1985), os aspectos comuns aos processos de especiação, talvez seja possível propor que a integração de aspectos fundamentais da genética da especiação aos princípios cronobiológicos possa fornecer os elementos procurados por esse autor. Parece razoável supor que a organização temporal seja um fator bastante importante na coesão intrapopulacional e intraespecífica; conseqüentemente, sua desorganização e/ou a ocorrência de mutações no sistema temporal possam, talvez, ser uma constante em todos os processos de especiação, não só entre plantas e animais de reprodução sexuada, como também naqueles de reprodução assexuada. O gene period, que controla a transmissão de algumas características rítmicas, já é considerado como intimamente relacionado à especiação (Coyne, 1992; Powell, 1997; Baer, 1999). Mutações nesse gene e em outros que afetem o sistema temporal poderiam resultar na formação de novas espécies com ou sem a ocorrência de isolamento geográfico ou de transformações morfológicas.

A proposta é muito ambiciosa, mas quando se leva em conta que, ao contrário dos elementos espaciais, os fatores temporais são iguais para todas as espécies, realmente mudanças que envolvam esses fatores poderiam ser o aspecto unificador procurado por Carson (1985). As mutações afetando o sistema temporal podem ser, portanto, o ponto de partida comum aos processos de especiação, independentemente de outras características orgânicas ou comportamentais, responsáveis pela fixação das novas espécies.

4.Modos de especiação

A discussão sobre os modos de especiação nas décadas de 60 e 70 deu prioridade ao debate das características espaciais e/ou geográficas do processo (Mayr, 1963; White, 1978). Na década seguinte, Templeton (1980, 1981, 1989) enfatiza os aspectos genéticos do problema, analisando as "revoluções genéticas", os casos de fundação-expansão ("founder-flush"), e o que ele chama de transiliência. Não cabe aqui rever os modos genéticos ou geográficos (alopatria, parapatria, simpatria, estasipatria, isolados periféricos, gradientes, etc.), mas examinar como poderia ser entendida, tanto a manutenção, quanto à diferenciação dos aspectos temporais das espécies em relação ao que se sabe sobre a genética do processo de especiação.

Os processos temporais poderiam ser considerados como integrantes dos dois conjuntos propostos pelo enfoque reducionista de Carson (1985): a) de características de adaptação sexual ou de coesão intra-específica (para incluir os assexuados), e b) características relacionadas à adaptação ao meio ambiente. Nos dois conjuntos estariam incluídos os ritmos ultradianos (atividade/repouso, corte sexual), circadianos e sazonais. Outra alternativa seria a de considerar a diferenciação temporal, resultando em características morfológicas ou comportamentais.

Apesar de ser mais fácil a compreensão de como os ritmos se relacionam aos comportamentos (como no caso do gene per), e de que a plasticidade dos comportamentos seja maior do que a da morfologia, é possível supor que não somente nos casos de heterocronia e alometria a rede temporal endógena participe e esteja refletida de maneira essencial em toda expressão morfológica. Conforme comentado anteriormente, somente nos casos de heterocronia e alometria, há referência específica à importância do tempo em relação à morfologia, pois ai o fenômeno é mais visível. Niklas (1994) apresenta uma discussão bastante detalhada da relação entre mudanças morfológicas (tamanho e forma) e mudanças em taxas de crescimento e de desenvolvimento ontogenético em plantas. Outro caso muito bonito é o da associação entre o tamanho do bico e o tipo de canção dos machos em algumas gerações de Geospiza conirostris, tentilhões da ilha Genovesa, em Galápagos (Grant & Grant, 1989a, b). Nos estudos dos tentilhões, os autores investigam a possibilidade de especiação incipiente a partir dos polimorfismos encontrados, mas não associam as mudanças morfológicas e comportamentais às mudanças temporais. Talvez haja na literatura poucas generalizações neste sentido e, no momento, só cabe especular sobre a ubiqüidade da associação entre tempo e morfologia. Existe, entretanto, um grande número de casos estudados, que aponta para o tamanho e para os padrões de pigmentação entre os aspectos morfológicos que mais caracterizam as espécies, tanto animais como vegetais. O controle genético do tamanho, nem sempre é um simples sistema aditivo (no caso de Drosophila mercatorum, ver Matioli & Templeton, 1999), e precisa ser estudado em maior número de organismos para que seja possível estabelecer se mudanças pequenas ou mínimas nas diversas interações gênicas resultam na ultrapassagem de limites de desenvolvimento, chamados às vezes de pontos de bifurcação, em que mudanças quantitativas tornam-se qualitativas a partir de certos limites.

No caso da formação de padrões de pigmentação em moluscos, peixes e mamíferos, o modelo matemático desenvolvido por Turing mostra que a interação entre duas substâncias, através de reações de difusão (supressão versus estímulo para produção) é suficiente para explicar a grande diversidade observada (Turing, 1952, em Gilbert, 2000). O modelo mostra que diferentes velocidades (tempos) de difusão resultam em padrões distintos. Seul e Andelman (1995) revêm o fenômeno da modulação de fases na organização periódico-espacial do desenvolvimento dos organismos, resultando em diferentes padrões de textura e pigmentação, e estendem a discussão aos apectos tridimensionais, ou seja, à diferenciação de formas.

Apesar da suposição de alguns autores de que haveria pouca associação entre fatores no cromossoma X e características morfológicas (Charlesworth et alii, 1987; Partridge, 1992), a associação parece ocorrer no caso de alguns caracteres estudados (tamanho e forma da cabeça, padrão de pigmentação da face, asas e mesopleura) em quatro espécies do subgrupo planitibia de Drosophila do arquipélago havaiano (Val, 1977, 1993; Templeton, 1977). Val (1993) discute a possibilidade da associação entre aspectos do comportamento (atividade/repouso e canção da corte sexual) controlados em parte pelo gene period aos aspectos morfológicos. Entretanto, Baer (1999) que realizou uma análise comparativa do per, nas mesmas moscas, não inclui características da morfologia em seu estudo.

Conclui-se que Lewontin (1974) têm razão em afirmar, como outros autores, que há ainda uma grande lacuna entre a descrição do processo de especiação em termos gerais e uma teoria mais precisa ou quantitativa em termos de freqüência genotípica. Não se sabe que mudanças estariam envolvidas nas primeiras etapas da divergência entre populações (talvez as mudanças temporais sejam a constante buscada), e que porcentagem do genoma mudaria na fase de desorganização.

A especulação parece ser inerente e inevitável na esfera da integração de fatos, principalmente de fenômenos que aconteceram no passado. Especiação certamente continua ocorrendo no presente, mas na grande maioria dos casos estudados ocorreu no passado. As dificuldades em entender o processo de especiação decorrem basicamente da falta de conhecimento das espécies, do controle genético de semelhanças e diferenças, e das vias de desenvolvimento das características envolvidas, inclusive no que diz respeito ao nível temporal. Será possível ter uma nova perspectiva sobre a genética da especiação quando forem compreendidos todos os níveis fenotípicos em que se expressa o tempo no conjunto dos organismos (molecular, celular, ontológico, fisiológico, comportamental e morfológico) e que deverão integrar no futuro as descrições das espécies.

Os conhecimentos da Cronobiologia acumulados nas últimas quatro décadas não têm sido incorporados de forma sistemática aos estudos de Evolução.

Poucas espécies foram bem estudadas em toda sua complexidade, na natureza. Um pequeno número de organismos é usado como modelo, e esses são estudados de forma melhor, pois são facilmente criados e mantidos em laboratório. A própria conceituação do que seja uma espécie continua em debate. A inclusão de aspectos temporais como parte da caracterização das espécies, poderia ser adotada de forma consistente no futuro. As características temporais (ritmos endogenos e ajustes aos estimulos ambientais) podem ser fatores essenciais tanto à coesão, como à diferenciação das populações.

Entre os aspectos comuns aos processos de especiação, tanto em plantas como em animais, Carson (1982 e 1985) considera duas fases principais. Uma fase inicial de desorganização do genoma ancestral, e a posterior reorganização de novos conjuntos de genes co-adaptados nas populações diferenciadas. Os mecanismos envolvidos nos processos seriam: mutações, recombinação, seleção natural, seleção sexual, deriva genética, efeitos de fundação e hibridações. Aspectos geográficos e genéticos são incluidos entre os "modos de especiação". A diferenciação temporal só é considerada nos casos de simpatria (especiação alocrônica), mas deve ser investigada nas demais situações.

Em estudos ontogenéticos, dois fenômenos são comentados em relação a mudanças do tempo relativo de desenvolvimento: a heterocronia e a alometria. Entretanto a importância (e ubiqüidade) dos fatores temporais ainda não foi associada às mudanças de taxas de crescimento que resultam em diferenças de forma e de tamanho entre espécies próximas, e mudanças de velocidade (tempo) de difusão de substâncias na formação dos padrões de pigmentação.