Introdução à Biologia/História da Biologia/A biologia no século XX

No início do século XX, a pesquisa biológica era ainda feita segundo os preceitos da história natural, que colocava a ênfase nas análises morfológicas e filogenéticas. No entanto, fisiologistas e embriologistas que se posicionavam contra o vitalismo, sobretudo na Europa, tornavam-se cada vez mais influentes. O enorme sucesso da abordagem experimentalista ao desenvolvimento, hereditariedade e metabolismo durante as décadas de 1900 e 1910 demonstrou o poder do experimentalismo na biologia. Nas décadas que se seguiram, o método experimental substituiu em definitivo a história natural como dominante na investigação.

Ecologia e ciências ambientais

Durante as primeiras décadas do século, os naturalistas confrontaram-se com a necessidade de incluir na sua metodologia maior rigor e de preferencialmente recorrer ao experimentalismo, tal como havia acontecido nas novas disciplinas da biologia que cada vez mais recorriam ao trabalho de laboratório. A ecologia surgiu a partir da conjugação da biogeografia com o conceito de ciclo biogeoquímico, promovido pela comunidade de químicos. Os biólogos de campo introduziram vários métodos de análise quantitativa, como a quadrícula, adaptando também instrumentos e câmaras de laboratório às condições de exterior, afastando-se assim da concepção tradicional da história natural. Zoólogos e botânicos fizeram o que estava ao seu alcance para mitigar os efeitos da imprevisibilidade do meio vivo, recorrendo sobretudo a experiências de laboratório e estudos em ambientes naturais semi-controlados como os jardins. Novas instituições científicas de ponta, como os pioneiros Cold Spring Harbor Laboratory e Marine Biological Laboratory, vieram disponibilizar uma variedade ainda maior de ambientes controlados para o estudo de organismos ao longo de todo o seu ciclo de vida.

O conceito de sucessão ecológica, promovido nas décadas de 1900 e 1910 por Henry Chandler Cowles e Frederic Clements, desempenhou um papel importante nos primórdios da ecologia. Papel igualmente pioneiro, entre os sucessivos métodos quantitativos que dominaram as especialidades ecológicas então em desenvolvimento, tiveram as equações predador-presa de Alfred Lotka; as pesquisas sobre limnologia, ou biogeografia e estrutura biogeoquímica dos cursos de água, de Evelyn Hutchinson; e as pesquisas sobre a cadeia alimentar animal de Charles Elton. A ecologia tornou-se uma disciplina autônoma durante as décadas de 1940 e 1950, depois de Eugene Odum ter sintetizado muitos dos conceitos relativos à ecologia do ecossistema, centrando o campo de estudo nas relações entre grupos de organismos, sobretudo as relações de ordem material e de energia.

Na década de 1960, à medida que os teóricos evolucionistas anteviam a possibilidade de haver múltiplas unidades de seleção, a comunidade ecológica fomentou sobretudo abordagens evolucionistas. No campo da ecologia da população o debate esteve centrado na questão da seleção de grupo, levando a que já em 1970 a maior parte dos biólogos tivesse concordado que a seleção natural raramente era eficaz num nível superior ao do organismo individual. A evolução dos ecossistemas viria a tornar-se um dos principais e permanentes focos de investigação. A partir de finais da década de 1960, assiste-se a uma assinalável expansão da ecologia em consequência da ascensão do movimento ambientalista. O Programa Biológico Internacional procurou implementar na ecologia dos ecossistemas e do ambiente os mesmos métodos já usados em programas científicos de grande escala realizados durante o pós-guerra, em face do enorme avanço que representaram na área da física. Projetos independentes e de menor escala, como a biogeografia insular e a Hubbard Brook Experimental Forest vieram também contribuir para redefinir o âmbito de uma disciplina cada vez mais diversificada.

Genética clássica, a síntese moderna e a teoria evolucionária

Ilustração do cruzamento cromossômico da autoria de Thomas Hunt Morgan, um dos princípios da teoria da hereditariedade de Mendel.

O ano de 1900 marcou a chamada redescoberta de Mendel. Hugo de Vries, Carl Correns, e Erich von Tschermak, ainda que autonomamente, elaboraram as leis de Mendel, que não estavam ainda explícitas na obra do próprio. Pouco tempo depois, citologistas propõem que o material hereditário está presente nos cromossomas. Thomas Hunt Morgan, com base nas anteriores hipóteses e apoiado pelos próprios resultados de ensaios laboratoriais com Drosophila realizados entre 1910 e 1915, viria a propor a teoria cromossomática da hereditariedade. Morgan quantificou o fenômeno das ligações genéticas e postulou que os genes residem nos cromossomas, lançando também a hipótese da existência de um cruzamento cromossômico que explicasse a ligação entre si e fazendo ainda o primeiro mapa genético da Drosophila melanogaster, que viria a ser um dos mais recorrentes organismos-modelo.

Hugo de Vries tentou estabelecer uma ligação entre a evolução e a genética, disciplina que então dava os seus primeiros passos. Fundamentando-se no seu trabalho sobre hereditariedade e hibridismo, propôs uma teoria sobre o mutacionismo, que viria a alcançar consenso entre a comunidade científica no início do século XX. O lamarquismo contava igualmente com imensos proponentes. No entanto, o darwinismo era ainda visto como incompatível com os caracteres hereditários estudados em biometria, que pareciam ser herdados apenas de forma parcial. Nas décadas de 1920 e 1930 surge a disciplina da genética populacional, fruto sobretudo do trabalho de R. A. Fisher, J. B. S. Haldane e Sewall Wright, que unificaram a noção de evolução através de seleção natural com a genética mendeliana, dando origem à síntese evolutiva moderna. A herança de caracteres adquiridos foi rejeitada, ao passo que o mutacionismo foi sendo suplantado pelas teorias genéticas.

Na segunda metade do século, os conceitos de genética populacional começaram também a ser aplicados nas novas disciplinas da genética comportamental, sociobiologia e, sobretudo nos humanos, da psicologia evolucionista. Na década de 1960 W. D. Hamilton elaborou métodos similares à teoria dos jogos que pudessem explicar o altruísmo de uma perspetiva evolucionista através da seleção de parentesco. A possível origem de organismos complexos através da endossimbiose, e as diferentes abordagens à evolução molecular entre a visão da evolução centrada nos genes e a teoria naturalista da evolução, estiveram na origem de permanentes debates sobre o real papel do adaptacionismo e da eventualidade na teoria evolucionista.

Na década de 1970 Stephen Jay Gould e Niles Eldredge propuseram a teoria do equilíbrio pontuado, que sustenta que a estase genética é a característica fundamental do registo fóssil, e que grande parte das alterações evolucionárias ocorre muito rapidamente em períodos de tempo relativamente curtos. Em 1980 Luis Alvarez e Walter Alvarez lançaram a hipótese que um evento de impacto teria sido o responsável pela extinção do Cretáceo-Peleogeno. Também na mesma década, a análise estatística do registo fóssil de organismos marinhos publicada por Jack Sepkoski e David M. Raup, veio proporcionar uma melhor compreensão da importância dos eventos de extinção em massa para a história da Terra.

Bioquímica, microbiologia e biologia molecular

No fim do século XIX tinha já sido descoberta a maior parte dos mecanismos de metabolismo das drogas, dos contornos do metabolismo das proteínas e ácidos gordos, e sido feita a síntese da ureia. Durante as primeiras décadas do século XX começaram a ser isoladas e sintetizadas as vitaminas. Progressos nas técnicas laboratoriais, como a cromatografia e a eletroforese possibilitaram a rápidos avanços na química fisiológica que, tal como a bioquímica, começava a autonomizar-se em relação à medicina que esteve na sua gênese. Durante as décadas de 1920 e 1930 um grupo de bioquímicos liderado por Hans Krebs, Carl e Gerty Cori descodificou várias das vias metabólicas do organismo: o ciclo do ácido cítrico, a glicogênese e a glicólise, bem como a síntese dos esteroides e das porfirinas. Entre as décadas de 1930 e 1950, Fritz Lipmann viria a determinar o papel do ATP]como o principal portador de energia nas células, e da mitocôndria como a sua principal fonte energética. A pesquisa em bioquímica seria um dos campos mais ativos na biologia até à atualidade.

A origem da biologia molecular

A cristalização do vírus do mosaico do tabaco em nucleoproteína pura, realizada por Wendell Stanley em 1939, convenceu inúmeros biólogos de que a hereditariedade podia ser explicada exclusivamente através da química e da física.

O dogma central da biologia molecular proposto por Francis Crick em 1958. A figura ilustra uma reconstrução do autor da sua concepção original do dogma. As linhas contínuas representam, à data de 1958, as formas conhecidas de transferência de informação, e as linhas descontínuas as formas postuladas.

A evolução da genética clássica levou a que uma nova vaga de biólogos se voltasse para as questões dos genes e da sua natureza física. Durante as décadas de 1930 e 1940, a Fundação Rockefeller financiou grande parte das mais significativas descobertas na área da biologia. Warren Weaver, diretor da divisão científica da fundação, foi o promotor inúmeras bolsas de incentivo à pesquisa que aplicasse os métodos da física e da química às questões elementares da biologia, introduzindo em 1938 o termo biologia molecular para definir esta nova abordagem.

Tal como aconteceu em bioquímica, durante o início do século XX assistiu-se a uma cada vez maior sobreposição de competências da bacteriologia e da virologia, mais tarde conjugadas na microbiologia. O isolamento dos bacteriófagos por Félix d'Herelle durante a Primeira Guerra Mundial marcou o início de uma longa série de pesquisas sobre os vírus fagos e as bactérias por si infetadas.

A criação de organismos padrão e geneticamente uniformes para que se pudesse obter resultados de laboratório em condições semelhantes foi crucial para o desenvolvimento da genética molecular. Após investigações iniciais com recuro a amostras de Drosophila e milho, a adoção de modelos científicos mais simples, como o bolor do pão Neurospora crassa tornou possível correlacionar a genética com a bioquímica, sobretudo a partir da hipótese de um gene-uma enzima formulada por Beadle e Tatumem 1941. A investigação genética em sistemas ainda mais simples como no vírus do mosaico do tabaco e nos bacteriófagos, aliada a inovações tecnológicas como o microscópio eletrônico e a ultracentrifugação, vieram colocar em questão o próprio conceito de vida. A hereditariedade dos vírus e a reprodução de estruturas celulares nucleoproteicas no exterior do núcleo vieram também questionar os pressupostos da teoria Mendeliana dos cromossomas.

Oswald Avery tinha já postulado em 1943 que o material genético dos cromossomas estaria contido no ADN, e não na sua proteína. A hipótese seria definitivamente confirmada em 1952 através da experiência de Hershey–Chase, uma de várias contribuições do Phage Group, centrado na figura de Max Delbrück. Em 1953, James D. Watson e Francis Crick, com base no trabalho de Maurice Wilkins e Rosalind Franklin, sugeriram que a estrutura do ADN seria uma dupla hélice. No seu célebre artigo Molecular Structure of Nucleic Acids, os autores fazem notar que "Não pudemos deixar de observar que o par por nós postulado sugere de forma direta a existência de um possível mecanismo de cópia do material genético." Após a confirmação da replicação semi-conservativa do ADN, demonstrada na experiência de Meselson-Stahl realizada em 1958, tornou-se claro para a maior parte dos biólogos que a sequência de ácido nucleico deveria de alguma forma determinar a sequência dos aminoácidos nas proteínas. George Gamow propôs que um código genético estático ligaria as proteínas e o ADN. Entre 1953 e 1961, embora houvesse ainda poucas sequências biológicas conhecidas, havia já uma série de sistemas de codificação propostos, situação que se tornaria ainda mais complexa à medida que se investigava o papel intermédio do ARN. Para decifrar completamente o código, foram levadas a cabo entre 1961 e 1966 uma série de experiências em bioquímica e genética bacterial, entre as quais se destacam os resultados de Nirenberg e Khorana.

O desenvolvimento da biologia molecular

No fim da década de 1950, os maiores centros de investigação em biologia molecular são a Divisão de Biologia no Instituto de Tecnologia da Califórnia, o Laboratório de Biologia Molecular da Universidade de Cambridge e o Instituto Pasteur. Os investigadores em Cambridge, sob a direção de Max Perutz e John Kendrew, focam a sua atenção no campo da biologia estrutural, conjugando a cristalografia de raios X com a modelagem molecular e as novas possibilidades de cálculo com o advento da computação digital. Um grupo de bioquímicos orientado por Frederick Sanger juntar-se-ia mais tarde ao laboratório, integrando o estudo das funções e estruturas macromoleculares. No Instituto Pasteur, François Jacob e Jacques Monod publicam uma série de artigos sobre o operon lac, que estariam na origem do conceito da regulação genética e na identificação do que viria a ser designado por ARN mensageiro. Em meados da década de 1960, o modelo fundamental do metabolismo e reprodução em biologia molecular estava já definido. Para a biologia molecular, o fim da década de 1959 e o início da década de 1970 representam um período de investigação exaustiva e de acreditação institucional, numa área que apenas muito recentemente se tinha tornado numa disciplina coerente. Durante aquilo que Edward Osborne Wilson viria a chamar de Guerra Molecular, os métodos e o número de investigadores dedicados à biologia molecular cresceram exponencialmente, chegando mesmo a dominar departamentos ou disciplinas por inteiro. A molecularização assumia um papel particularmente importante para a genética,imunologia, embriologia e neurobiologia. A noção da vida como sendo controlada por um programa genético, uma metáfora introduzida por Jacob e Monod a partir da cibernética e da ciência da computação, viria a tornar-se uma perspetiva bastante influente na biologia. A imunologia em particular viria a estreitar laços com a biologia molecular, com pontos de inovação comuns: a teoria da seleção clonal, proposta por Niels Jerne e Frank Macfarlane Burnet na década de 1950, foi fundamental na compreensão dos mecanismos gerais de síntese proteica.

A crescente influência da biologia molecular foi alvo de alguma resistência, evidente sobretudo na biologia evolutiva. O sequenciação das proteínas encerrava um potencial imenso para o estudo quantitativo da evolução, através da hipótese do relógio molecular, mas a relevância da biologia molecular na resposta às grandes questões das causas evolutivas era posta em causa pelos biólogos evolutivos de topo. À medida que os biólogos organicistas afirmavam a sua independência, assiste-se à fraturação crescente entre os departamentos e disciplinas. Neste contexto que Theodosius Dobzhansky publica a sua famosa declaração de que nada na biologia faz sentido excepto à luz da evolução como resposta às interrogações levantadas pela biologia molecular. O assunto tornou-se ainda mais fraturante em 1968, quando a teoria neutralista da evolução de Motoo Kimura sugere que a seleção natural não seria a causa universal e única da evolução, pelo menos a nível molecular, e de que a evolução molecular poderia ser um processo completamente diferente da evolução morfológica.

Biotecnologia, engenharia genética e genômica

Estirpes da bactéria Escherichia coli criadas através do recurso a técnicas de engenharia genética, são ferramentas essenciais na biotecnologia e em vários campos de investigação biológica.

A biotecnologia tem sido um campo importante da biologia desde o fim do século XIX. Com a industrialização da agricultura e do processo de fabrico de cerveja, os biólogos tomaram consciência do enorme potencial dos processos biológicos controlados. A fermentação, em particular, foi um dos grandes catalisadores da indústria química. Por volta do início da década de 1970, estavam já em desenvolvimento uma série de biotecnologias, desde drogas como a penicilina ou esteroides e alimentos como a Chlorella, até uma série de culturas agrícolas híbridas que estiveram na origem da Revolução Verde.

ADN Recombinante

A concepção contemporânea da engenharia genética tem início na década de 1970 com a criação de técnicas de ADN recombinante. As enzimas de restrição tinham já sido descobertas no final da década de 1960, em sequência do isolamento, duplicação e síntese dos genes virais. Uma sequência de investigações iniciada no laboratório de Paul Berg em 1972, com o apoio do laboratório de Herbert Boyer e do estudo sobre as ligases de Arthur Kornberg, culminaria na produção dos primeiros organismos transgênicos. Esta inovação seria pouco tempo depois complementada pela adição de genes de resistência antibiótica e de plasmídeos, aumentando de forma muito significativa a sua eficácia.

Conscientes dos potenciais perigos inerentes, sobretudo a possível proliferação de uma bactéria portadora de um gene cancerígeno viral, tanto a comunidade científica como vastos setores da sociedade reagiram apreensivamente a estas descobertas. Vários biólogos moleculares de topo sugeriram que fosse imposta uma moratória temporária na investigação de ADN recombinante até que pudessem ser analisados todos os eventuais perigos e criadas leis que regessem a atividade. A Conferência de Asilomar, realizada em 1975, concluiu que o uso da tecnologia seria seguro, definindo também a respetiva regulação da atividade.

Após a conferência, assistiu-se a um surto de novas técnicas e aplicações da engenharia genética. O trabalho pioneiro de Frederick Sanger e Walter Gilbert produziu avanços significativos nos métodos de sequenciação de ADN, a par de novas técnicas de transfecção e síntese de oligonucleotídeos. A investigação descobriu como controlar a expressão de transgenes, o que levou a uma competição acentuada, tanto no contexto acadêmico como industrial, para a criação de organismos capazes de expressar genes humanos tendo em vista a produção de hormonas humanas. No entanto, isto revelar-se-ia mais complexo do que as previsões iniciais; o percurso de investigação entre 1977 e 1980 revelou que, devido ao fenômeno de splicing, os organismos maiores possuíam um sistema de expressão gênica muito mais complexo do que os modelos de bactéria usados nos primeiros estudos. A síntese da insulina humana, conseguida nos laboratórios da Genentech, marca simultaneamente a primeira vitória na corrida às patentes e o início do boom da biotecnologia, com uma intensidade e sobreposição nunca antes vistas entre biologia, indústria e legislação.

Sistemática molecular e genómica

Interior de um termociclador, aparelho capaz de realizar reações em cadeia da polimerase em múltiplas amostras simultaneamente.

Na década de 1980, o sequenciação de proteínas tinha já levado a alterações nos métodos de classificação científica de organismos, tendo os investigadores também começado a usar sequências de ADN e ARN como caráteres. Isto levou ao alargamento da acepção de evolução molecular dentro da biologia evolucionista, já que os resultados da filogenética molecular podiam ser comparados com as árvores filogenéticas tradicionais assentes na morfologia. A própria divisão da árvore da vida foi revista, em resposta às ideias pioneiras de Lynn Margulis patentes na teoria da endossimbiose, que sustenta que partes das organelas das células eucariotas tiveram origem nos organismos procariontes através de relações de simbiose. Durante a década de 1990, os cinco domínios (Animalia, Fungi, Plantae, Protista, Monera) deram lugar a apenas três (Archaea, Bacteria e Eukarya), em função do trabalho pioneiro de Carl Woese no campo da filogenética molecular com a sequenciação do ARN ribossomal 16S.

O desenvolvimento e popularização da reação em cadeia da polimerase (PCR) em meados da década de 1980, liderada por Kary Mullis, marcou outro momento de charneira na história contemporânea da biotecnologia, aumentando de forma exponencial a facilidade e rapidez da análise genética. A par do uso de marcadores de sequência expressa, a PCR possibilitou a descoberta de um número imenso de genes do que aqueles que podiam ser encontrados através dos métodos genéticos tradicionais, abrindo o caminho para a sequenciação de genomas completos. A aparente unidade na morfogênese dos organismos desde o óvulo fertilizado até à fase adulta começou a ser posta em causa depois da descoberta dos genes homeobox, primeiro em moscas da fruta, depois noutros insetos e animais, incluindo os humanos. Estes dados possibilitaram avanços no campo da biologia evolutiva do desenvolvimento em direção à compreensão de como é que os diferentes panos corporais do filo animal evoluíram e qual a relação entre si.

O Projeto Genoma Humano, o maior e mais caro estudo biológico alguma vez feito, teve início em 1988 sob a orientação de James D. Watson, depois de estudos preliminares com organismos modelo geneticamente simples como a E. coli, S. cerevisiae e C. elegans. A introdução do método de shotgun sequencing e de vários métodos de análise promovidos sobretudo por Craig Venter, e a promessa de compensações financeiras com o registo de patentes, levaram a uma competição acérrima entre entidades públicas e privadas que culminaria com a primeira publicação da sequência do ADN humano anunciada em 2000.