3. Mutações

Und was in schwankender Erscheinung schwebt,

Befestiget mit dauernden Gedanken.1

Goethe

Mutações "por saltos" - a base da seleção natural

Os fatos gerais que até aqui apresentam os em prol da durabilidade atribuída à estrutura do gene são-nos talvez fam iliares dem ais para que sej am notáveis ou considerados convincentes. Neste caso, o dito com um de que a exceção prova a regra é verdadeiro. Se não houvesse exceções à sem elhança entre crianças e pais, teríam os sido privados não apenas de todos esses belos experim entos que nos têm revelado o detalhado m ecanism o da hereditariedade, m as tam bém do grande, m ilhões de vezes repetido experim ento da Natureza, que forj a as espécies por seleção natural e sobrevivência do m ais apto. Perm itam -m e fazer desse últim o e im portante tem a o ponto de partida para a apresentação de fatos relevantes - de novo com as desculpas e o lem brete de que não sou um biólogo:

Hoj e, sabem os em definitivo que Darwin estava errado ao considerar as variações pequenas, contínuas e acidentais que ocorrem necessariam ente m esm o nas populações m ais hom ogêneas com o o m aterial sobre o qual atua a seleção natural. Pois foi dem onstrado que elas não são herdadas. Esse fato é im portante o bastante para m erecer um a breve ilustração. Se se tom ar um a cultura de um a linhagem pura de cevada e m edir, espiga a espiga, o com prim ento de suas barbas e representar, graficam ente, o resultado das estatísticas, será obtida um a curva em form a de sino, com o a m ostrada na Figura 7, em que se representa a relação entre o núm ero de determ inadas espigas e o com prim ento atingido pelas respectivas barbas. Em outras palavras, prevalece um a m édia de com prim ento definida, e desvios em qualquer das direções ocorrem com frequências dadas. Tom e-se agora um grupo de espigas (com o o indicado pelo som breado) com barbas de tam anho visivelm ente acim a da m édia, m as em núm ero suficiente para serem sem eadas em um cam po e darem um a nova safra. Fazendo a m esm a estatística para esse grupo, Darwin teria esperado encontrar a curva correspondente desviada para a direita. Noutras palavras, ele teria esperado produzir por seleção um aum ento do com prim ento m édio das barbas. Esse não é o caso se se tiver usado realm ente um a linhagem pura de cevada. A nova curva estatística, obtida a partir da safra selecionada, é idêntica à prim eira e o m esm o teria acontecido se tivessem sido escolhidas para sem eadura espigas de barbas particularm ente curtas. A seleção não tem efeito porque as variações pequenas e contínuas não são herdadas. Obviam ente, elas não estão baseadas na estrutura da substância hereditária; são acidentais. Mas, há cerca de 40 anos, o holandês De Vries descobriu que na prole, m esm o das linhagens m ais puras, um pequeno núm ero de indivíduos - digam os, dois ou três em dezenas de m ilhares - aparecem com um a alteração pequena, m as "por salto", essa expressão não quer dizer que a alteração é m uito considerável, m as apenas que há um a descontinuidade, um a vez que não existem form as interm ediárias entre os não m odificados e os poucos que sofrem alterações. De Vries cham ou a isso m utação. O fato significativo é a descontinuidade. Ela lem bra ao físico a teoria quântica - não ocorrem energias interm ediárias entre dois níveis de energia vizinhos. O físico estaria tentado a cham ar a teoria da m utação de De Vries, de form a figurada, teoria quântica da biologia. Verem os m ais tarde que isso é m uito m ais que figurado. Na verdade, as m utações são devidas a saltos quânticos na m olécula do gene. Mas a teoria quântica tinha apenas dois anos de idade quando De Vries publicou sua descoberta, em 1902. Não é de adm irar que tenha sido necessária um a outra geração para que a íntim a conexão fosse descoberta!

Eles se cruzam perfeitamente, isto é, são perfeitamente herdados

Mutações são herdadas tão perfeitam ente quanto as características originais, não alteradas, o eram . Para dar um exem plo, na prim eira safra de cevada considerada acim a, um as poucas espigas poderiam ter barbas de tam anho consideravelm ente fora da am plitude de variação m ostrada na Figura 7, digam os m esm o sem qualquer barba. Isso representaria um a m utação de De Vries e deveria, portanto, cruzar-se perfeitam ente, o que quer dizer que seus descendentes, da m esm a form a, não teriam barbas. Assim , um a m utação é definida com o um a alteração no patrim ônio hereditário e deve ser explicada a partir de algum a alteração na substância hereditária. De fato, a m aior parte dos experim entos im portantes de reprodução, que nos têm revelado o m ecanism o da hereditariedade, consistiram na análise cuidadosa da prole obtida por cruzam ento, de acordo com um plano preconcebido, de indivíduos m utantes (ou, em m uitos casos, m ultim utantes) com indivíduos não-m utantes ou diferentem ente m utantes. Por outro lado, em virtude de se reproduzirem perfeitam ente, as m utações são um m aterial conveniente sobre o qual pode atuar a seleção natural para produzir as espécies, tal com o descrito por Darwin, elim inando os não-adaptados e deixando que os m ais aptos sobrevivam . Na teoria de Darwin, é preciso apenas substituir "leves variações acidentais” por "m utações” (assim com o a teoria quântica substitui "transferência contínua de energia” por "salto quântico”). Em todos os outros aspectos, pouca m udança é necessária na teoria de Darwin, se interpreto corretam ente a avaliação da m aior parte dos biólogos.2

Localização. Recessividade e dominância

Devem os agora revisar alguns fatos e noções fundam entais sobre m utações, novam ente de m aneira levem ente dogm ática, sem m ostrar diretam ente de onde eles se originam , um a um , a partir da evidência experim ental. Devem os esperar que um a m utação definida que tenha sido observada sej a causada por um a alteração em um a região definida de um dos crom ossom os. E assim é. E im portante afirm ar que sabem os em definitivo que se trata de um a alteração em apenas um dos crom ossom os, m as não no locus correspondente no crom ossom o hom ólogo. A Figura 8 indica isso de form a esquem ática, a cruz denotando o locus onde houve a m utação. O fato de que apenas um crom ossom o é afetado é revelado quando o indivíduo m utante (frequentem ente cham ado apenas "m utante”) é cruzado com um não-m utante. Pois exatam ente m etade da prole exibirá o caractere m utante, e a outra m etade, o norm al. Isso é o que se espera com o consequência da separação dos dois crom ossom os por m eiose no m utante - com o é m ostrado, m uito esquem aticam ente, na Figura 9. Refere-se a um pedigree, representando todos os indivíduos (de três gerações consecutivas) sim plesm ente pelo par de crom ossom os em questão. Por favor, notem que se o m utante tivesse am bos os seus crom ossom os afetados, toda a progénie receberia a m esm a herança (m isturada), diferente daquela de cada indivíduo parental.

Mas fazer experim entos nesse dom ínio não é tão sim ples quanto poderia parecer a partir do que acaba de ser dito. Eles são com plicados pelo segundo fato im portante, a saber, que as m utações são, m uito frequentem ente, latentes. Que significa isso?

No m utante, as duas “cópias do código" não são idênticas; elas apresentam duas “leituras" ou “versões" diferentes, pelo m enos naquele preciso local. Talvez sej a conveniente destacar neste m om ento que, em bora possa ser tentador; seria em todo caso inteiram ente errado considerar “ortodoxa” a versão original e “herética” a m utante. Devem os considerá-las, em princípio, da m esm a form a, pois, afinal, os caracteres norm ais tam bém vieram de m utações. O que realm ente ocorre é que o “padrão” do indivíduo, com o regra geral, segue-se ou de um a ou de outra versão, a qual pode ser a norm al ou a m utante. A versão que é seguida é cham ada dom inante, e a outra, recessiva, conform e ela for ou não im ediatam ente efetiva na conversão do padrão.

Mutações recessivas são ainda m ais frequentes que as dom inantes e são m uito im portantes, em bora, de início, não se m ostrem à vista. Para afetar o padrão, elas devem estar presentes em am bos os crom ossom os (ver Figura 10). Tais indivíduos podem ser produzidos quando dois m utantes igualm ente recessivos se cruzam ou quando um m utante se cruza consigo próprio. Esse últim o caso é possível em plantas herm afroditas, e acontece espontaneam ente. Um a reflexão sim ples m ostra que, nesses casos, cerca de um quarto da prole será desse tipo e, portanto, exibirá visivelm ente o padrão m utante.

Introduzindo alguns termos técnicos

Penso que será esclarecedor explicar aqui alguns term os técnicos. Para o que cham o “versão do código” - sej a ela original ou m utante -, foi adotado o term o "alelo". Quando as versões são diferentes, com o está indicado na Figura 8, o indivíduo é cham ado heterozigoto com respeito àquele locus. Quando são iguais, com o acontece no indivíduo não-m utante ou no caso da Figura 10, eles são cham ados hom ozigotos. Assim , um alelo recessivo influencia o padrão apenas quando hom ozigoto, enquanto um alelo dom inante produz o m esm o padrão, sej a ele hom ozigoto ou apenas heterozigoto.

A cor é, frequentem ente, dom inante sobre a ausência de cor (ou branco). Assim , por exem plo, um a ervilha dará flores brancas apenas quando tem o "alelo recessivo responsável pelo branco" em am bos os crom ossom os em questão, quando é "hom ozigótica para o branco"; ela se cruzará perfeitam ente, ou sej a, todos os seus descendentes serão brancos. Mas um "alelo verm elho" apenas (sendo o outro branco; "heterozigoto") fará que ela dê flores verm elhas, da m esm a form a com o aconteceria se os dois alelos fossem verm elhos ("hom ozigoto"). A diferença dos dois últim os casos só se m ostrará na prole, quando o verm elho heterozigoto produzirá alguns descendentes brancos e o hom ozigoto verm elho terá descendentes todos iguais. O fato de que dois indivíduos possam ser perfeitam ente iguais em sua aparência exterior e, ainda assim , diferirem em sua herança, é tão im portante que um a diferenciação exata é desej ável. O geneticista diz que am bos têm o m esm o fenótipo, m as genótipos diferentes. O conteúdo dos parágrafos precedentes poderia, dessa form a, ser sum ariado na afirm ação breve, porém altam ente técnica: um alelo recessivo influencia o fenótipo apenas quando o genótipo é hom ozigoto.

Usarem os essas expressões técnicas ocasionalm ente, m as seu significado será recapitulado para o leitor quando necessário.

O efeito danoso do intercruzamento

Mutações recessivas, na m edida em que são apenas heterozigotas, não constituem , é claro, m aterial de trabalho para a seleção natural. Se são prej udiciais, com o frequentem ente as m utações o são, ainda assim não serão elim inadas, um a vez que ficam latentes. Assim , um a grande quantidade de m utações desfavoráveis pode se acum ular, sem causar dano im ediato. Mas elas são, evidentem ente, transm itidas para m etade da prole e isso tem um a im portante aplicação para o hom em , o gado, as aves ou qualquer outra espécie cuj as boas qualidades físicas nos digam respeito im ediato. Na Figura 9, supõe-se que um indivíduo m acho (digam os, para serm os concretos, eu m esm o) porta um a m utação heterozigótica prej udicial, de tal form a que ela não se m anifesta. Suponham os que m inha esposa está livre disso. Então, m etade de nossas crianças (segunda linha) tam bém a portará, novam ente de. form a heterozigótica. Se todas elas são de novo cruzadas com parceiros não-m utantes (om itidos do diagram a para evitar confusão), m etade de nossos netos, na m édia, será afetada da m esm a form a.

Não há nenhum perigo de o m al se tornar m anifesto, a m enos que indivíduos igualm ente afetados sej am cruzados entre si, em cuj o caso, com o o m ostra um a reflexão sim ples, um quarto de suas crianças, sendo hom ozigotos, m anifestaria a característica danosa. Um perigo quase tão grande quanto a autofertilização (possível apenas em plantas herm afroditas) seria o casam ento entre um filho e um a filha m eus. Tendo cada um deles chances iguais de serem ou não afetados, um quarto dessas uniões incestuosas seriam perigosas, um a vez que um quarto de suas crianças m anifestaria a característica danosa. O fator de perigo para um a criança nascida do incesto seria assim de 1:16. Da m esm a form a, o fator de perigo seria de 1:64 para a prole da união entre dois netos m eus que sej am prim os em prim eiro grau (desde que eles m esm os não tenham vindo de um a relação incestuosa). Essa não parece ser um a ocorrência m uito ruim e, na verdade, o segundo caso é usualm ente tolerado. Mas não se esqueçam de que analisam os as consequências de apenas um a lesão latente em um dos parceiros do casal parental ("eu e m inha esposa”). Na verdade, é bem provável que am bos abriguem m ais de um a deficiência latente desse tipo. Se você sabe que possui um a, deve considerar que 1 em cada 8 de seus prim os possuem -na tam bém ! Experim entos com plantas e com anim ais parecem indicar que, além das deficiências sérias (com parativam ente raras), parece existir um a série de deficiências m enores cuj as chances se com binam para deteriorar com o um todo a prole dos intercruzam entos. Um a vez que não m ais estam os inclinados a elim inar as falhas da form a dura com o os lacedem ônios faziam no m onte Taigeto, devem os tom ar seriam ente o problem a no caso do hom em , em que a seleção natural do m ais apto é m uito cerceada, quase virada do avesso. O efeito anti-seletivo da m oderna m ortandade em m assa de j ovens saudáveis de todas as nações é m al e m al contra restado pela consideração de que, em condições m ais prim itivas, a guerra possa ter tido um valor seletivo positivo ao perm itir que a tribo m ais adaptada sobrevivesse.

Observações gerais e históricas

É surpreendente o fato de que o alelo recessivo, quando heterozigoto, sej a com pletam ente sobrepuj ado pelo dom inante e não produza qualquer efeito. Deve ao m enos ser m encionado que existem exceções a esse com portam ento. Quando a boca-de-leão branca hom ozigótica é cruzada com a boca-de-leão carm im , igualm ente hom ozigótica, todos os descendentes im ediatos têm um a cor interm édia, isto é, são cor-de-rosa (e não carm im , com o seria de esperar). Um caso m uito m ais im portante de dois alelos exibindo sua influência sim ultaneam ente acontece nos grupos sanguíneos, em bora não possam os nos deter no assunto aqui. Não ficarei surpreso se, a longo prazo, a recessividade se m ostrar capaz de graus e depender apenas da sensibilidade dos testes que se aplicam para o exam e do “fenótipo”.

Este é, talvez, o m om ento para um a palavra sobre a história dos prim eiros tem pos da genética. A espinha dorsal da teoria, a lei da hereditariedade, segundo a qual as gerações sucessivas recebem características com respeito às quais os pais diferem e, em especial, a im portante distinção recessivo-dom inante, devem -se ao abade agostino Gregor Mendel (1822-1884), hoj e m undialm ente fam oso. Mendel nada sabia acerca de m utações e de crom ossom os. Nos j ardins de sua clausura, em Brünn (Brno), fez experim entos com ervilhas de j ardim , das quais cultivava diferentes variedades, cruzando-as e observando sua descendência nas prim eira, segunda, terceira... gerações. Pode-se dizer que ele realizava experiências com m utantes que encontrava prontos na natureza. Publicou seus resultados j á em 1866, nas Atas da Naturforschender Verein in Brünn. Ninguém pareceu se interessar pelo passatem po do abade e ninguém , certam ente, teve a m enor noção de que sua descoberta se tornaria, no século XX, a estrela-guia de um ram o inteiram ente novo da ciência, sem dúvida o m ais interessante em nossos dias. Seu ensaio foi esquecido e redescoberto apenas em 1900, sim ultânea e independentem ente, por Correns (Berlim ), De Vries (Leiden) eTscherm ak (Viena).

A necessidade de a mutação ser um evento raro

Até aqui, tendem os a fixar nossa atenção nas m utações danosas, que talvez sej am as m ais num erosas. Mas é preciso afirm ar categoricam ente que tam bém se encontram m utações vantaj osas. Se um a m utação espontânea é um pequeno passo no desenvolvim ento das espécies, tem os a im pressão de que algum a alteração é "tentada" de m aneira m ais ou m enos aleatória, com o risco de ser prej udicial, caso em que é autom aticam ente elim inada. Isso traz à tona um ponto m uito im portante. A fim de constituírem m aterial conveniente para o trabalho da seleção natural, as m utações têm de ser eventos raros, com o realm ente o são. Se fossem tão frequentes que houvesse um a probabilidade considerável de ocorrerem , digam os, doze diferentes m utações no m esm o indivíduo, as prej udiciais iriam , com o regra, predom inar sobre as vantaj osas, e as espécies, em lugar de serem m elhoradas pela seleção, perm aneceriam na m esm a ou pereceriam . O conservadorism o com parativo que resulta do alto grau de perm anência dos genes é essencial. Pode-se lançar m ão de um a analogia com o funcionam ento de um a grande fábrica m anufatora. Para desenvolver m étodos m elhores, inovações devem ser tentadas, m esm o que ainda sem com provação. Mas, para avaliar se as inovações m elhoram ou pioram o resultado, é essencial que elas sej am introduzidas um a por vez, com todas as outras partes do m ecanism o m antidas constantes.

Mutações induzidas por raios X

Devem os agora passar em revista um a engenhosíssim a série de pesquisas em genética, que constituirá o aspecto m ais relevante de nossa análise. A percentagem de m utações na prole, a cham ada taxa de m utação, pode ser am pliada para um m últiplo da taxa natural de m utação ao se irradiar os indivíduos parentais com raios X ou raios Y. As m utações assim produzidas de form a algum a diferem (exceto por serem m ais num erosas) daquelas que ocorrem espontaneam ente, e tem -se a im pressão de que toda m utação "natural" pode ser tam bém induzida por raios X. Na Drosophila, várias m utações especiais ocorrem espontaneam ente m uitas e m uitas vezes, em grandes culturas. Elas foram localizadas no crom ossom o, com o descrito nas páginas 36-8, e lhes foram dados nom es especiais. Chegaram a ser encontrados "alelos m últiplos”, isto é, duas ou m ais "versões" ou "leituras" - além da norm al, não-m utante - do m esm o local do código no crom ossom o. Isso quer dizer não apenas duas, m as três ou m ais alternativas naquele locus particular, qualquer duas delas m antendo entre si a relação "dom inante-recessivo” quando ocorrem sim ultaneam ente em seus loci correspondentes dos dois crom ossom os hom ólogos. Os experim entos com m utações induzidas por raios X dão a im pressão de que toda “transição" particular, por exem plo, de um indivíduo norm al a um dado m utante, ou conversam ente, tem seu “coeficiente raio X" individual, que indica a percentagem da prole que se torna m utante para essa característica particular quando um a unidade de raios X é aplicada aos indivíduos parentais antes que a prole tenha sido gerada.

Primeira lei. A mutação é um evento singular

Além disso, as leis que governam a taxa de m utação induzida são extrem am ente sim ples e esclarecedoras. Sigo aqui o relatório de N. W. Tim oféëff, publicado na Biological Reviews, v.9, 1934. Muito do artigo se refere ao belo trabalho do próprio autor. A prim eira lei diz:

(1) O aumento é exatamente proporcional à dosagem dos raios, de tal

modo que se pode falar (tal como fiz) de um coeficiente de aumento.

Estam os tão acostum ados à proporcionalidade sim ples que tendem os a subestim ar as consequências de longo alcance dessa lei elem entar. Para percebê-las, podem os lem brar-nos de que o preço de um bem , por exem plo, nem sem pre é proporcional à sua quantidade. Em épocas norm ais, um com erciante pode ficar tão im pressionado por lhe com prarm os seis laranj as que, se decidirm os levar um a dúzia, ele poderá vendê-la por m enos do dobro do preço das seis. Em tem pos de escassez, o oposto pode acontecer. No caso presente, concluím os que a prim eira m eia dose de radiação, tendo causado, digam os, m utação em um em cada m il descendentes, em nada influenciou os restantes, sej a no sentido de predispô-los ou de im unizá-los com respeito a m utações. Pois, de outra form a, a segunda m eia dose não daria novam ente um a m utação em m il. A m utação, portanto, não é um efeito cum ulativo, causado por pequenas porções consecutivas de radiação que se reforçam m utuam ente. Ela deve consistir em algum evento singular que ocorre em um crom ossom o durante a irradiação. Que tipo de evento?

Segunda lei. Localização do evento

Isso é respondido pela segunda lei, que é:

(2) Se variarmos a qualidade dos raios (comprimento de onda) dentro de

limites largos, de fracos raios X a fortes raios y, o coeficiente permanece

constante, desde que se administre a mesma dosagem, medida nas assim

chamadas unidades-r, ou sej a, desde que se m eça a dosagem pela

quantidade total de íons produzidos por unidade de volum e num a

substância-padrão convenientem ente escolhida, durante o tem po e no

local em que os indivíduos parentais foram expostos aos raios.

Com o substância-padrão, escolhe-se o ar, não apenas por conveniência, m as tam bém pela razão de que os tecidos orgânicos são com postos de elem entos cuj os pesos atôm icos, em m édia, são os m esm os que os do ar. Obtém -se um lim ite inferior para a quantidade de ionizações ou processos afins3 (excitações) no tecido pela sim ples m ultiplicação do núm ero de ionizações no ar pela razão das densidades. Assim , é bastante óbvio, e confirm ado por investigação m ais crítica, que o evento singular que causa a m utação é apenas um a ionização (ou processo sem elhante) que ocorre no interior de um volum e "crítico” da célula germ inativa. Qual o tam anho desse volum e crítico? Ele pode ser estim ado a partir da taxa de m utação observada, através da seguinte consideração: se um a dosagem de 50.000 íons por cm 3 produz um a alteração de apenas 1:1.000 para que qualquer gam eta em particular (que se encontre no local irradiado) sofra determ inada m utação, concluím os que o volum e crítico, o "alvo” que deve ser "atingido" por um a ionização para que a m utação ocorra, é apenas 1/1.000 de 1/50.000 de um cm 3, ou sej a, um quinquagésim o-m ilionésim o de cm 3. Os núm eros não são corretos, m as são usados apenas com propósitos ilustrativos. Na estim ativa real, seguim os M. Delbríick, em um artigo dele, de N. M. Tim oféëff e K. G. Zim m er,4 que é tam bém a principal fonte da teoria que será exposta nos próxim os dois capítulos. No artigo, ele chega a um tam anho de apenas cerca de dez distâncias atôm icas m édias cúbicas, contendo portanto apenas 103 = m il átom os. A interpretação m ais sim ples desse resultado é que existe um a boa chance de produzir aquela m utação no caso em que um a ionização (ou excitação) ocorra em não m ais que a “10 átom os de distância” de algum ponto em particular do crom ossom o. Agora, discutirem os isso em m aior detalhe. O artigo de Tim oféëff contém um a sugestão prática que não posso deixar de m encionar aqui, em bora ela não tenha, evidentem ente, nenhum a relação com nossa atual investigação. Existem m uitas ocasiões na vida m oderna em que um a pessoa tem de se expor aos raios X. Os perigos diretos envolvidos, tais com o queim aduras, câncer induzido por raios X e esterilização, são bem conhecidos e se dá proteção com telas de chum bo ou j aquetas providas de chum bo, especialm ente para enferm eiras e m édicos que precisem m anipular esses raios regularm ente. O ponto é que, m esm o quando esses perigos im inentes para o indivíduo são evitados, parece haver o perigo indireto de pequenas m utações prej udiciais produzidas nas células germ inativas, m utações do tipo que tínham os em m ente quando falam os dos resultados desfavoráveis do intercruzam ento. Colocando a questão drasticam ente, em bora talvez de form a um pouco ingênua, o perigo de um casam ento entre prim os de prim eiro grau pode ser m uito agravado pelo fato de a avó ter trabalhado por m uito tem po com o enferm eira m anipulando raios X. Esse não é um ponto que deva preocupar ninguém pessoalm ente. Mas qualquer possibilidade de infectar gradualm ente a raça hum ana com m utações latentes indesej adas deve ser tem a de preocupação para a com unidade.

Notas

1 "É o que paira na aparência flutuante,/Fixarem os por pensam entos duradouros."

2 Muito se tem discutido em torno da questão de se a seleção natural não seria auxiliada (senão superada) se acontecesse um a evidente inclinação no sentido de m utações favoráveis ou úteis. Meu ponto de vista pessoal sobre o assunto não ao caso. Mas é necessário frisar que o caso de "m utações dirigidas" foi deixado de lado em tudo o que segue. Além disso, não posso entrar, aqui, na inter-relação entre "genes interruptores" e "poligenes", m esm o que ela sej a im portante para o real m ecanism o da seleção e evolução.

3 Um lim ite inferior, porque esses outros processos escapam à m edida de ionização, em bora sej am eficientes na produção de m utações.

4 Nachr, a.d. Biologie d Ges. d. Wiss. Göttingen, v. 1, p.180, 1935.