A diversidade da vida não é apenas uma questão de genética 🧬

Um estudo da UNIGE revela como as restrições mecânicas, relacionadas ao crescimento dos tecidos, contribuem para gerar a diversidade das estruturas biológicas.


Como explicar a diversidade morfológica das espécies? Se a genética é a resposta que vem imediatamente à mente, ela não é, no entanto, a única explicação. Combinando observações do desenvolvimento embrionário, técnicas avançadas de microscopia e modelagens computacionais, uma equipe multidisciplinar da Universidade de Genebra (UNIGE) demonstra que o desenvolvimento das escamas da cabeça dos crocodilos resulta de um processo relacionado à mecânica dos tecidos em crescimento, em vez da genética molecular.

A diversidade dessas escamas, observada em diferentes espécies de crocodilianos, surge, portanto, da evolução de parâmetros mecânicos. Esses resultados oferecem uma nova perspectiva sobre as forças físicas envolvidas no desenvolvimento e na evolução da diversidade das formas da vida. Eles poderiam ser aplicados a outros sistemas biológicos complexos. Esses trabalhos estão publicados na revista Nature.

A origem da diversidade e da complexidade morfológica dos seres vivos permanece um dos maiores mistérios da ciência. Para elucidá-lo, os cientistas estudam diversas espécies biológicas. O laboratório de Michel Milinkovitch, professor do Departamento de Genética e Evolução da Faculdade de Ciências da UNIGE, estuda o desenvolvimento e a evolução dos apêndices tegumentares dos vertebrados – ou seja, penas, pelos e escamas – para compreender os mecanismos fundamentais responsáveis por essa diversidade. Geralmente, considera-se que o desenvolvimento embrionário desses apêndices é ditado por processos genéticos envolvendo interações entre muitas moléculas resultantes da expressão dos genes.

Como uma "fissura" que se propaga

No entanto, análises do desenvolvimento de embriões de crocodilos realizadas anteriormente permitiram ao laboratório genebrino mostrar que, ao contrário das escamas do corpo, as escamas que cobrem o focinho e as mandíbulas surgem de um processo que lembra a propagação de fissuras em um material submetido a estresse mecânico. A natureza exata desse processo físico, no entanto, permanecia desconhecida.

A equipe da UNIGE resolveu esse mistério graças a novos trabalhos altamente multidisciplinares. Primeiro, eles observaram o surgimento das escamas durante o desenvolvimento do embrião do crocodilo do Nilo, que dura cerca de 90 dias. Enquanto no 48^º dia, a pele que cobre as mandíbulas e o focinho ainda está lisa, dobras cutâneas aparecem a partir do 51^º dia e, em seguida, se propagam e se interconectam para formar escamas poligonais de dois tipos: largas e alongadas no topo do focinho, menores e irregulares nas laterais das mandíbulas.


O grupo de Michel Milinkovitch quis saber se diferenças na velocidade de crescimento entre a epiderme, a derme e os ossos do crânio subjacentes poderiam explicar o surgimento das dobras e, portanto, das escamas. Para isso, eles desenvolveram uma técnica de injeção no ovo de crocodilo de um hormônio que ativa o crescimento e a rigidez da epiderme – o fator de crescimento EGF (para Epidermal Growth Factor). Eles então descobriram que a ativação do crescimento e o aumento da rigidez da camada superficial da pele levam a uma mudança dramática na organização das dobras cutâneas.

"Observamos que a pele se dobra inicialmente de forma anormal e forma uma rede labiríntica semelhante às dobras do cérebro, mas acaba formando escamas muito menores, como nos jacarés", explicam Gabriel Santos-Durán e Rory Cooper, pós-doutorandos no laboratório de Michel Milinkovitch e coautores do estudo. Essas observações mostram que a variação na velocidade de crescimento e na rigidez das camadas da pele é um mecanismo evolutivo simples, capaz de gerar uma grande diversidade de formas de escamas entre as diferentes espécies de crocodilianos.

Um modelo 3D do desenvolvimento da mandíbula

Os cientistas então usaram técnicas avançadas de microscopia, chamadas de "fluorescência por folha de luz", para quantificar a velocidade de crescimento e a variação de espessura dos diferentes tecidos (epiderme, derme, tecido ósseo) em toda a cabeça do embrião, bem como a organização das fibras de colágeno na derme. A equipe genebrina usou esses dados para construir um modelo computacional tridimensional (3D) que permite variar a velocidade de crescimento e a rigidez dos tecidos.

"Explorando esses diferentes parâmetros, podemos gerar as diferentes formas de escamas correspondentes aos crocodilos do Nilo tratados e não tratados com EGF, mas também ao jacaré-de-óculos ou ao jacaré-americano. Essas simulações computacionais demonstram que a mecânica dos tecidos permite explicar facilmente a diversidade das formas de certas estruturas anatômicas em diferentes espécies, sem envolver fatores genéticos moleculares", conclui Ebrahim Jahanbakhsh, engenheiro de computação no laboratório de Michel Milinkovitch e coautor do estudo.