Evolução no Lab com Drosophila Mark Salata Gordon College

Evolução no Lab com Drosophila
Mark Salata
Gordon College
Division of Mathematics and Natural Sciences
419 College Dr.
Barnesville, GA 30204
[email protected]
office: (770) 358-5308 - fax: (770) 358-5365
Abstract: Com a finalidade de demonstrar determinados aspectos da evolução, foi desenhado
um trabalho de laboratório tipo hands-on. Utilizaram-se duas populações distintas de
Drosophila, wildtype (selvagem) and ebony (ébano). A variedade ebony foi escolhida por três
motivos: 1) pode ser distinguida da variedade selvagem a olho nu; 2) o alelo que causa o
fenótipo Ebony é recessivo; e 3) tem uma robustez reprodutiva (fitness) menor, em
comparação com a variedade selvagem. Cada uma destas características ajudou a simplificar
a mecânica da experiência. Após uma introdução sobre Drosophila, genética mendeliana, e
genética populacional, os alunos estavam bem preparados para realizar o exercício, para
prever os resultados, e analisá-los. A compreensão do assunto pelos alunos foi evidenciada
através da escrita de um artigo científico baseado nos resultados obtidos e através da
participação numa discussão aberta sobre genética mendeliana e dinâmica de populações.
Palavras chave: Evolução, Drosophila, trabalho de laboratório
INTRODUÇÃO
Os alunos tendem a aprender sobre a evolução a um nível macro, através de livros didácticos,
e ao nível micro, através de jogos. São poucos os trabalhos de laboratório criados que utilizam
organismos vivos para ensinar os princípios evolução.
Esta situação pode conduzir os alunos a pensar em que a evolução é um conceito abstracto e
não testável em laboratório. Nesse sentido, foi concebido um curso sobre evolução biológica
onde se incluiram trabalhos de laboratório que utilizam organismos vivos.
Este artigo descreve um desses trabalhos de laboratório que demonstrou a ocorrência de uma
alteração significativa da genética populacional de moscas-de-fruta comuns, Drosophila
melanogaster, ao longo de um período de treze semanas. De fato, a mudança genética foi
observável mesmo após as cinco primeiras semanas da experiência.
A flexibilidade deste trabalho de laboratório não está relacionada apenas com o tempo em que
ocorre a micro-evolução, mas também da profundidade da lição. Dependendo do nível de
compreensão dos estudantes e dos objectivos do curso, o professor pode seleccionar um dos
seguintes tópicos da lista apresentada, e desenvolvê-los:
1) ciclo de vida da Drosophila, e genética mendeliana;
2) manutenção de populações de Drosophila segundo boas condições alimentação;
3) dependência da densidade de populações;
4) crescimento geométrico de populações;
5) capacidade de carga;
6) genética populacional;
7) micro-evolution;
8) selecção natural e fitness (robustez);
9) evolução.
Com as tecnologias actuais e com o acesso à World Wide Web, os computadores têm
acrescentado uma outra dimensão à educação em biologia e tornaram-se um esteio para as
iniciativas educacionais. Por exemplo, é possível fazer o download de um programa de
genética populacional que permita a manipulação de populações imaginárias com o objectivo
de mostrar de uma forma gráfica a micro-evolution.
O trabalho de laboratório aqui apresentado fornece os benefícios de uma experiência hands-on
com organismos vivos permitindo aos alunos ver a micro-evolution, em tempo real.
MATERIAL
A seguir apresenta-se o material necessário para quinze estudantes, se trabalharem sozinhos,
ou para trinta, trabalhando em pares:
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200 Drosophila melanogaster - wildtype
400 Drosophila melanogaster - ebony
15 contentores rectangulares com tampas de plástico
papel anti-ácaro *
450, tubos cônicos 15ml
algodão estéril
alimento seco para Drosophila *
levedura activa seca
2 a 6 estereoscópios
15 pincéis ou escovas voar *
2 tanques de dióxido de carbono ou Fly-Nap *
30, 250ml copos
uma fonte de água destilada
*from Carolina Biological Supply
PLANEAMENTO EXPERIMENTAL E MÉTODOS
Esta experiência demonstra os princípios da evolução utilizando um planeamento simples - um
alelo favorecido (wildtype relativamente a Ebony). As moscas Ebony foram escolhidas por três
motivos: 1) podem ser distinguidas a olho nu do tipo selvagem; 2) o alelo que provoca fenótipo
Ebony é recessivo; e 3) têm uma menor robustez reprodutiva do que as moscas do tipo
wildtype (Lindsley e Zimm, 1992). Cada um desses factores ajuda a simplificar a mecânica da
experiência.
Os recipientes de armazenamento do alimento foram adaptados para serem utilizados como
caixas de população. Cada recipiente foi equipado com seis tubos cónicos de 15ml. Na parte
inferior do recipiente fizeram-se seis buracos, não maiores do que as cápsulas dos tubos
cónicos de 15ml. Também se fizeram buracos nas tampas dos tubos.
Depois, as cápsulas dos tubos foram coladas aos buracos do recipiente com cola à base de
silicone, e a montagem foi deixada a secar durante a noite.
Quatro tubos cónicos vazios foram atarraxados a quatro cápsulas (B1, B2, C1 e C2) do
recipiente de armazenamento da comida (Figura 1).
Dois tubos cónicos foram cheios até à marca 1.5ml com: 1) alimento seco para moscas, 2)
água destilada, e 3) cinco a dez pellets de levedura seca activa. Os tubos estavam ligados às
cápulas A1 e A2.
Figura 1. Sistema de coordenadas para colocar os
tubos de alimento e esquema da caixa de
população
Para se começar com uma elevada frequência do alelo ebony nas populações, colocou-se
quinze moscas-da-fruta do tipo wildtype e trinta do tipo ebony de stocks homozigóticos em
cada tubo com alimentação (A1 e A2).
Todas as transferências de moscas-da-fruta foram feitas utilizando CO2 fly pads sob lupas
estereoscópicas e com pincéis, de modo a separar as moscas com muito cuidado (ver
adaptação do protocolo na nota 4).
Em cada terceiro dia subsequente ao início da população um tubo vazio foi trocado por um
tubo de alimento fresco.
A ordem de substituição foi a seguinte: B1, B2, C1, C2, A1, A2, B1, e assim por diante. Isso
permitiu que passados quinze dias dos tubos originais de alimento, A1 e A2, eclodisse uma
segunda geração de moscas.
Durante estes quinze dias os estudantes iniciaram a realização de uma outra experiência
adicional com vista a ajudá-los a explicar os resultados obtidos na “caixa de populações”
Eles estimaram a fitness reprodutiva relativa das moscas ebony através do isolamento de
moscas virgens ebony e wildtype, e fazendo todos os quatro cruzamentos conforme o indicado
na Figura 2.
Fêmeas
Machos
Total (descendentes)
Fitness relativa
Figura 2. A robustez relativa de ebony foi calculada pelos alunos numa outra experiência através do cruzamento de
moscas-de-fruta virgens e da contagem da fêmeas descendentes do tipo ebony e do tipo wildtype do (n =
número de acasalamentos, cada célula contém o número médio de filhos por acasalamento).
Para calcular a fitness relativa, foi dividido o número total de descendentes das fêmeas ebony
pelo número total de descendentes das fêmeas wildtype.
No décimo quinto dia, o primeiro tubo amostra colhido, e tapado com algodão e datado. Todas
as moscas adultas, encurralados no tubo durante a colheita, foram descartadas.
As moscas que emergiram dos tubos do alimento ao longo nas semanas seguintes foram
identificadas por sexo e fenótipo (wildtype ou ebony).
Cada estudante guardou o registo individual dos dados da respectiva caixa de população. No
final do semestre todos os dados foram compilados e tabulados. Os alunos escreveram
individualmente os resultados combinados das caixas de população sob a forma de um artigo
de revista, de acordo com um layout que, a título de exemplo, lhes foi fornecido.
RESULTADOS
Os estudantes seguiram as instruções para a realização do exercício. Ocorreu variação entre
caixas de população individuais; contudo, ocorreu a tendência geral para a população
homozygótica de ebony diminuir em freqüência (A figura 3). O cálculo dos estudantes para a
fitness relativa de wildtype foi 0.77 (Figura 2). Os textos de referência afirmam que a robustez
reprodutiva relativa de ebony é, “aproximadamente 80 %” (Lindsley e Zimm, 1992). Os alunos
submeteram os artigos exprimindo a sua compreensão dos nove tópicos mencionados na
introdução do presente artigo. Um estudante aplicou a lição de genética populacional e fitness
num gráfico evidenciando o declínio do alelo ebony na população (a Figura 4).
Figura 3. Dados compilados e média das catorze caixas
de população individuais. A frequência de fenótipo ebony
diminuiu de 67 % para menos de 5 % durante as treze
semanas que durou o curso.
Figure 4. Assumindo que a frequência do gene ebony
pode ser extrapolada do número de fenótipos de ebony
identificados; um estudante criou esta figura no seu
artigo.
DISCUSSÃO
Este exercício pode ser adaptado para diferentes objectivos. Pode ser parte de um curso sobre
evolução ou ser incorporado em aulas de laboratório de genética, de biologia das populações,
ou de biologia molecular. São também passíveis de realização algumas variações deste
mesmo trabalho. A relação entre homozigóticos wildtype, homozigóticos ebony, e o cruzamento
de heterozigóticos pode ser desenvolvida numa discussão mais profunda acerca da
dominância e da competição entre os três tipos.
Os trabalhos de Rendel (1951) fornecem evidências de que os machos de ebony têm mais
sucesso quando acasalam na escuridão. Possivelmente uma variação deste exercício de
laboratório poderá consistir em ter metade das caixas de populações numa sala escura.
Kyriacou et al. (1978) mostraram que o cruzamento de heterozigóticos wildtype e ebony pode
até ter uma vantagem selectiva sobre ambos homozigóticos. Isto conduz a uma questão
interessante “Quantos dos fenótipos wildtype identificados no trabalho de laboratório são de
facto heterozigóticos? ”
Uma identificação molecular do locus de ebony, usando possivelmente oligos específicos para
PCR e um DNA agarose gel, forneceria aos estudantes uma oportunidade de aprender uma
outra técnica comum de laboratório.
Fazer um rectro-cruzamento das moscas com a população de progenitores consumiria mais
tempo, mas também seria uma via possível para fornecer uma resposta à mesma questão.
Mesmo sem a quantificação dos heterozigóticos na população das amostras, a informação dos
artigos acima mencionados pode ser utilizada para aprofundar as discussões dos alunos.
NOTAS
1.Fly-Nap from Carolina Biological Supply pode também ser usado segundo as instruções de o
fabricante sem estereoscópios.
2. As moscas virgens podem ser fornecidas aos alunos no começo dos quinze dias desde que
isolá-las não constituia um objectivo do curso. A experiência também pode ser deixada desde
que a fitness relativa dos homozygoticos de ebony e o wildtype seja conhecida (Lindsley e
Zimm, 1992).
3. Se o terceiro dia cair num fim-de-semana, os tubos amostra podem ser colhidos um dia mais
cedo ou mais tarde. Contudo, os tubos devem ser reunidos o perto possível do terceiro dia.
4. Um trabalho anterior, intitulado “Using Species of Drosophila to Teach Evolution” (Rosenthal,
1979), discute brevemente utilizando experiências de competição alimentar nas quais foram
colocados duas espécies de Drosophila no mesmo recipiente. Os estudantes avaliaram depois
o "sucesso reprodutivo através da contagem do ... número de cada uma das espécies no
recipiente "(p.554). A experiência de Rosenthal é uma demonstração eloquente da competição,
mas não da evolução.
AGRADECIMENTOS:
Aos Drs. Doug Taylor and Jennifer Secki por terem auxiliado na implementação deste exercício
REFERÊNCIAS:
Kyriacou, C.P., Burnet, B., & Connolly, K. (1978). The Behavioural basis of overdominance in
competitive mating success at the ebony locus of Drosophila melanogaster. Animal
Behaviour, 26, 1195-1206.
Lindsley and Zimm (1992). The Genome of Drosophila melanogaster. Academic Press, Inc.
Rendel, J.M. (1951). Mating of ebony vestigal and wild type Drosophila melanogaster in light
and dark. Evolution, 5, 226-230.
Rosenthal, D.B. (1979). Using Specie of Drosophila to Teach Evolution, The American Biology
Teacher, 41(9), 552-555.