A vida complexa pode ser mil milhões de anos mais antiga do que pensávamos.

A origem da vida celular complexa com núcleo - de amebas a humanos - poderá recuar muito mais na história da Terra do que se supunha.

Um novo estudo, que reconstitui os primeiros passos rumo à complexidade biológica, indica que a transição a partir de ancestrais mais simples terá começado há quase 3 mil milhões de anos, muito antes de o planeta possuir níveis de oxigénio capazes de sustentar uma biosfera eucariótica abundante e diversificada.

Este cenário empurra o aparecimento das primeiras características de células complexas para quase mil milhões de anos antes de algumas estimativas anteriores, sugerindo uma acumulação evolutiva lenta e prolongada - e não um salto rápido para a complexidade.

Procariontes vs. eucariontes: a distinção mais fundamental da vida

Existem várias formas de classificar a vida na Terra, mas uma das separações mais basais é entre procariontes e eucariontes.

Os procariontes - grupo que inclui bactérias e arqueias - terão sido as primeiras formas de vida a surgir, há cerca de 4 mil milhões de anos. Em termos gerais, são células mais simples, compostas essencialmente por uma membrana celular, proteínas robustas e ADN sem compartimentação interna, a flutuar no interior celular.

Os eucariontes, por outro lado, terão aparecido mais tarde e exibem um grau de complexidade muito superior: núcleo, organelos, membranas internas delicadas e genomas maiores e mais estruturados.

Quando surgiram as mitocôndrias na evolução dos eucariontes?

Apesar de décadas de investigação, continua por esclarecer quão mais tarde surgiram os eucariontes e em que ordem se formaram os principais componentes celulares que os caracterizam.

Uma das maiores incógnitas prende-se com o lugar das mitocôndrias na cronologia evolutiva - as “centrais energéticas” celulares que ajudam a converter a energia da glicose no composto trifosfato de adenosina (ATP), combustível indispensável para os processos celulares.

A hipótese mais aceite sustenta que as mitocôndrias começaram como uma bactéria de vida livre que passou a viver no interior de outra célula e, com o tempo, acabou por se integrar. O ponto decisivo é o timing desta fusão: se as mitocôndrias surgiram primeiro e desencadearam as restantes mudanças rumo à complexidade, ou se a complexidade começou a montar-se antes e as mitocôndrias só apareceram mais tarde.

Relógio molecular e modelo CALM: reconstruir a cronologia da complexidade eucariótica

Para responder a esta questão, uma equipa liderada pelo paleobiólogo Christopher Kay (Universidade de Bristol, Reino Unido) aplicou uma análise de relógio molecular a genes de uma grande diversidade de organismos.

Segundo o biólogo evolucionista computacional Tom Williams (Universidade de Bath, Reino Unido), a estratégia teve duas vertentes: ao reunir dados de sequência de centenas de espécies e cruzá-los com evidência fóssil conhecida, foi possível construir uma árvore da vida calibrada no tempo. A partir desse enquadramento, os autores puderam estimar com maior precisão o momento em que ocorreram eventos históricos dentro de famílias génicas específicas.

O relógio molecular é uma abordagem que permite inferir quando linhagens se separaram e quando certas características surgiram. Em termos práticos, baseia-se no facto de as formas de vida partilharem elementos comuns - como o código genético, um conjunto quase universal de aminoácidos e a dependência generalizada do ATP como fonte de energia. Ao estimar a taxa a que se acumulam mutações numa sequência de ADN e ao comparar essa sequência entre espécies, é possível recuar no tempo e aproximar o momento em que partilharam um ancestral comum. O mesmo tipo de raciocínio pode ser aplicado para datar o aparecimento de funções génicas e traços biológicos.

Concentrando-se nas diferenças entre eucariontes e procariontes, os investigadores usaram genes de centenas de organismos para reconstruir a ordem temporal de emergência de características eucarióticas. O enquadramento proposto foi designado CALM, sigla de Arqueia Complexa, Mitocôndrio Tardio.

Principais resultados: actina, tubulina e citoesqueleto surgem muito antes das mitocôndrias

De forma surpreendente, algumas das primeiras assinaturas genéticas associadas à complexidade terão aparecido há cerca de 2,9 a 3 mil milhões de anos. Entre os primeiros sinais detetáveis, o estudo aponta para passos iniciais relacionados com proteínas como actina e tubulina, a formação de um citoesqueleto ainda simples e características embrionárias de um protonúcleo.

Depois, surgiram alterações que abririam caminho para a evolução de membranas citoplasmáticas mais sofisticadas, para organelos como o aparelho de Golgi e para uma diversificação dos sistemas de expressão génica - incluindo polimerases de ARN.

As mitocôndrias, segundo esta cronologia, terão chegado relativamente tarde: por volta de 2,2 mil milhões de anos.

Oxigénio e o Grande Evento de Oxigenação: um empurrão ambiental decisivo

A estimativa de ~2,2 mil milhões de anos coincide com a fase em que o oxigénio atmosférico aumentou rapidamente, associada ao Grande Evento de Oxigenação. Isto sugere que, embora a trajetória rumo à vida eucariótica já estivesse em andamento antes dessa mudança global, a subida do oxigénio poderá ter fornecido o impulso ambiental necessário para que a complexidade celular se expandisse e se consolidasse até ao nível observado atualmente.

Porque é que esta análise se destaca

Para Kay, o que diferencia este trabalho é o nível de detalhe na ligação entre tempo absoluto e função: não se limitou a datar genes, mas procurou também compreender o que as famílias génicas fazem e como as proteínas interagem entre si, enquadrando tudo numa cronologia.

O estudo exigiu a conjugação de várias áreas: paleontologia para informar e calibrar a linha temporal, filogenética para construir árvores evolutivas fiáveis e úteis, e biologia molecular para interpretar estas famílias génicas no seu contexto funcional.

Implicações e próximos passos para a origem dos eucariontes

Se a complexidade eucariótica começou a ser montada muito antes da integração mitocondrial, isso reforça a ideia de uma “pré-história” extensa - com inovação gradual em estruturas celulares - que antecede a grande aceleração metabólica associada às mitocôndrias. Este quadro também abre espaço para cenários em que formas ancestrais, possivelmente próximas de arqueias complexas, já possuíam partes do “kit” eucariótico antes de beneficiarem de um ganho energético substancial.

Ao mesmo tempo, a cronologia inferida por relógios moleculares depende de calibrações com fósseis e de pressupostos sobre taxas de mutação, pelo que futuras melhorias - como novos marcadores genómicos, modelos evolutivos mais realistas e descobertas paleontológicas adicionais - poderão refinar (ou ajustar) as datas propostas sem alterar necessariamente a sequência geral dos acontecimentos.

A investigação foi publicada na revista científica Nature.