Quando o ambiente de um animal muda mais rápido do que ele consegue se adaptar, suas chances de sobrevivência podem se esgotar completamente. O mesmo acontece com populações e até mesmo com espécies inteiras.

Agora, cientistas do MIT e da Universidade de Leicester descobriram que essa conexão entre adaptação evolutiva e o ritmo das mudanças ambientais também se mantém em escala global — e pode determinar a suscetibilidade da vida à extinção em massa. Os pesquisadores desenvolveram um modelo teórico desse fenômeno, que apresentam em um artigo publicado hoje na revista Physical Review Letters .

A equipe comparou o modelo com dados disponíveis de grandes extinções em massa do passado, incluindo a velocidade com que o ambiente global mudou na época de cada evento. O modelo previu com sucesso a gravidade da maioria das extinções em massa na história da Terra, ou seja, a fração da vida que não conseguiu se adaptar e, portanto, foi extinta.

Curiosamente, os pesquisadores descobriram que a variação nas taxas de adaptação entre os grupos de animais é amplamente semelhante à variação nas taxas em que o ambiente pode mudar.

“O que estamos começando a ver é um certo nível de organização e maneiras pelas quais a vida se comporta de forma consistente com a maneira como o ambiente se comporta”, diz o autor do estudo, Daniel Rothman, professor de geofísica e codiretor do Centro Lorenz no MIT. “Pode ser que a vida tenha evoluído de forma que sua gama de adaptações corresponda à gama de estresses que enfrenta.”

O estudo de Rothman tem como coautor Sergei Petrovskii, professor de matemática aplicada na Universidade de Leicester, na Inglaterra.

Uma conexão catastrófica

A ligação entre extinção e mudanças ambientais não é recente. No final do século XVIII, o naturalista francês Georges Cuvier, frequentemente considerado o pai da paleontologia, foi o primeiro a propor o conceito de “catastrofismo”. Ele havia descoberto ossos fossilizados perto de Paris que não correspondiam a nenhum animal conhecido na época. Cuvier concluiu que os ossos pertenciam a um grupo de mamíferos gigantes que existiram em algum momento, mas que já não existiam mais. Ele propôs, então, que uma espécie inteira poderia desaparecer, ou ser extinta, provavelmente devido a uma catástrofe generalizada.

“Essa era uma ideia revolucionária, a de que uma espécie pudesse entrar em extinção”, diz Rothman. “E ele sugeriu que uma catástrofe ambiental a tivesse causado.”

O conceito de catastrofismo cedeu lugar posteriormente à visão de que a história da Terra foi moldada principalmente por processos lentos e graduais. Mas, em meados do século XX, o geólogo americano Norman Newell revisitou o problema. Ao buscar a causa das extinções, ele propôs o que Rothman e Petrovskii chamam de hipótese do “desajuste de taxas”, a noção de que a extinção ocorre quando a taxa de mudança ambiental é maior do que a taxa na qual uma espécie consegue evoluir para se adaptar.

Desde então, biólogos observaram a hipótese de Newell se concretizar em muitos casos nos quais mudanças ambientais levaram à extinção de espécies individuais. Rothman e Petrovskii questionaram: será que a hipótese também se aplicaria em escala global?

“Sabemos que espécies individuais entram em extinção quando as mudanças ambientais superam sua capacidade de adaptação”, observa Rothman. “Mas não estava claro se essa mesma ideia se aplica à escala de eventos de extinção global.”

Identificando uma discrepância

Para o novo estudo, os pesquisadores buscaram testar a hipótese da discrepância de taxas em escala global. Eles queriam verificar se os eventos de extinção em massa na história podem ser explicados por uma discrepância entre a taxa de mudança ambiental global e a taxa na qual a vida em todo o mundo consegue se adaptar.

Para isso, pelo menos em teoria, eles teriam que comparar duas fontes de dados: as taxas de mudança do ambiente global ao longo do tempo e as taxas de adaptação de diferentes grupos de organismos às mudanças ambientais. A primeira pode ser encontrada em registros geológicos, que os cientistas têm usado amplamente para inferir como o clima da Terra mudou ao longo da história. A segunda, no entanto, é quase impossível de registrar.

“Estamos falando das taxas em que os organismos se adaptam a grandes mudanças ambientais em escalas de tempo efetivamente geológicas, de milhares a milhões de anos”, diz Rothman. “E isso não se presta à observação direta.”

Em vez de dados concretos, os pesquisadores buscaram construir uma teoria matemática geral para descrever a gama de taxas de adaptação entre grupos de animais ao redor do mundo. Nesse contexto, “adaptação” refere-se a qualquer mudança dentro de uma espécie, ao longo de períodos muito maiores que uma geração, que permite à espécie persistir à medida que seu ambiente se transforma.

Na teoria da evolução, geralmente se entende que uma espécie só consegue se adaptar com sucesso quando múltiplas condições são atendidas. Por exemplo, é necessário que haja variação na população, que essas variações sejam hereditárias, que algumas variações permitam que um organismo se adapte melhor do que outros e que os organismos que se adaptam melhor deixem mais descendentes. Se todas essas condições forem atendidas, toda a espécie deverá ser capaz de se adaptar a uma determinada mudança ambiental. No entanto, se qualquer uma dessas condições falhar, a população entrará em extinção.

Rothman e Petrovskii reconheceram que, nesse caso, a probabilidade de uma espécie se adaptar com sucesso se multiplica a cada condição atendida. E descobriu-se que esse padrão pode ser descrito matematicamente como uma curva em forma de sino muito simples. Essa curva descreve essencialmente qual fração dos animais do mundo consegue se adaptar a taxas específicas, desde os que se adaptam mais lentamente até os que se adaptam mais rapidamente, e como essa fração varia de forma não linear com a taxa de adaptação. Essa curva geralmente mostra que a maioria dos grupos de animais consegue se adaptar a taxas intermediárias, enquanto um número menor de grupos consegue se adaptar às taxas mais lentas e mais rápidas.

Após estabelecerem esse padrão geral de taxas de adaptação, os pesquisadores analisaram como esse padrão se compara às taxas registradas de mudança ambiental e como essas duas taxas coincidem, ou não, em momentos de extinção em massa.

Para isso, eles consideraram dados paleontológicos e geoquímicos de 27 episódios ao longo dos últimos 450 milhões de anos, nos quais o ciclo do carbono sofreu mudanças significativas — uma medida geralmente entendida como reflexo da mudança ambiental global. Em seguida, compararam as taxas de mudança ambiental com a fração de grupos animais que foram extintos durante cada episódio — números que foram estabelecidos anteriormente em um estudo bem conceituado do paleobiólogo John Alroy.

Por fim, Rothman e Petrovskii observaram que, de fato, para quase todos os eventos de extinção em massa nos últimos 450 milhões de anos, houve uma discrepância entre as taxas de mudança ambiental e a capacidade de adaptação dos animais; as extinções em massa ocorreram quando uma fração significativa dos animais não conseguiu se adaptar com rapidez suficiente para acompanhar as mudanças ambientais. Seus resultados confirmam que a hipótese da discrepância de taxas se aplica em escala global.

Além disso, essa discrepância nas taxas poderia prever a gravidade dos eventos de extinção, ou a fração da vida animal que foi extinta em função da velocidade com que o ambiente mudou.

No caso da extinção do Permiano-Triássico, é provável que a rápida acidificação do oceano tenha superado a capacidade dos organismos de desenvolverem proteções adequadas, levando à extinção de mais de 80% das espécies marinhas do mundo.

O trabalho da equipe se concentra em aplicar o novo modelo a eventos de extinção do passado. Mas o trabalho também pode fornecer uma estrutura para a compreensão do risco de extinção moderno.

“Os níveis de dióxido de carbono no oceano estão aumentando hoje a uma taxa que, quando devidamente reescalonada, é semelhante às taxas de mudança do ciclo do carbono que são apenas inferiores às associadas a grandes eventos de extinção no passado”, diz Rothman. “Isso sugere que a mudança ambiental moderna pode estar se aproximando de taxas além das quais a adaptação se torna cada vez mais difícil.”

Traduzido de MIT News.