Como as Daphnia desenvolvem armadura química contra predadores

Uma pulga-de-água criada em água perfeitamente segura consegue, ainda assim, desenvolver uma armadura contra um predador que nunca encontrou.

Os elmos dilatam-se, os espinhos da cauda alongam-se e a forma do corpo altera-se. Nada disto é provocado por um ataque, nem sequer pela visão de uma ameaça, mas por vestígios químicos ténues que se dispersam na água.

Há anos que os biólogos sabem que estes minúsculos crustáceos de água doce modificam o corpo em resposta a substâncias químicas libertadas por predadores.

Tanto os sinais como as alterações físicas são reais. Antes de um estudo recente, porém, ninguém tinha explicado o passo inicial que transforma uma molécula dissolvida na água num aviso para o organismo crescer.

Um alarme químico

As pequenas Daphnia de água doce, crustáceos minúsculos, são há décadas organismos populares nos laboratórios.

Os investigadores descobriram há muito que a presença de um predador nas proximidades leva estes animais a desenvolver estruturas invulgares, incluindo elmos, espinhos caudais e cabeças desproporcionadamente grandes. O estímulo não é visual nem sonoro: é o cheiro.

Os predadores libertam traços químicos na água, que as Daphnia detetam. Estes compostos chamam-se cairomonas: sinais emitidos por uma espécie e aproveitados por outra em benefício próprio.

Sem o saber, o predador anuncia a sua presença, enquanto a presa escuta esse anúncio. A forma como a presa captava essa mensagem permanecia desconhecida.

Os cientistas suspeitavam que estariam envolvidas proteínas especializadas à superfície do animal, mas ainda não tinham determinado quais. Uma equipa da Universidade do Ruhr em Bochum (RUB), na Alemanha, decidiu identificá-las.

Três espécies de Daphnia, três inimigos

O laboratório estudou três espécies, cada uma confrontada com um inimigo distinto. A Daphnia magna partilha o seu habitat com o Triops, um pequeno crustáceo predador.

Quando o predador está presente, a presa incha e adota um corpo semelhante a um balão, difícil de engolir.

A Daphnia longicephala enfrenta notonectas, insetos que agarram as presas com as patas dianteiras.

Para escapar a esse aperto, a espécie aumenta a cabeça, formando uma cúpula pontiaguda. Já a Daphnia lumholtzi enfrenta esgana-gatas, um tipo de peixe predador pequeno e espinhoso.

São três assinaturas químicas diferentes e três defesas distintas. Esta precisão mostrou aos cientistas que as Daphnia não reagem ao conceito geral de “predador”.

Em vez disso, decifram as moléculas específicas de cada caçador. Estudos anteriores já sugeriam que os recetores envolvidos eram simultaneamente sensíveis e específicos.

À procura dos recetores

A professora Linda C. Weiss, autora sénior do artigo na RUB, dedica-se há anos a este enigma.

O seu grupo investigou recetores ionotrópicos, portas moleculares que se abrem quando uma chave química se liga a elas.

Estes recetores são comuns nos insetos e noutros artrópodes, nos quais desempenham funções ligadas ao olfato e ao paladar.

Dois deles despertaram o interesse da equipa: IR25a e IR93a. Enquanto corecetores, não identificam sozinhos substâncias químicas específicas.

Em conjunto, mantêm a estrutura de deteção unida e fixada à membrana celular. Sem eles, aparentemente, o sinal químico do predador não pode ser interpretado.

A pergunta é simples, mas tecnicamente difícil de testar. Se estas duas proteínas forem removidas, a Daphnia continuará a reconhecer um predador?

Silenciar os genes

Para o teste, a equipa recorreu à interferência por ARN. Habitualmente, os genes são copiados para ARN mensageiro, as instruções de trabalho usadas pela célula para produzir proteínas.

Os investigadores injetaram pequenos fragmentos de ARN que se ligam a essas cópias e as bloqueiam, interrompendo a produção de proteínas.

A equipa aplicou este método aos genes de IR25a e IR93a nas três espécies de Daphnia. Após o tratamento, os animais cresceram e alimentaram-se normalmente.

Contudo, deixaram de conseguir produzir as proteínas corecetor utilizadas pelos seus quimiorrecetores, os sensores moleculares de sinais químicos.

Esses quimiorrecetores localizam-se nas anténulas, pequenos apêndices sensoriais junto à cabeça.

Os investigadores colocaram os animais com os genes silenciados em água contendo o sinal do predador de cada espécie, ao lado de animais de controlo com genes intactos.

Sem sinal, sem escudo

Os animais com recetores funcionais fizeram exatamente aquilo por que as Daphnia são conhecidas. A Daphnia magna inchou, a Daphnia longicephala desenvolveu uma cabeça maior e a Daphnia lumholtzi alongou os espinhos.

O sinal químico chegou até elas e os corpos reagiram. Os animais silenciados não fizeram nada: os seus contornos eram idênticos aos de presas criadas em tanques seguros, sem predadores.

Não houve inchaço, elmo ou espinhos, apesar de as moléculas de aviso estarem dissolvidas na mesma água à sua volta.

Era esta a descoberta que a área aguardava. A deteção de predadores nas Daphnia depende deste par de corecetores.

Até à publicação deste artigo, ninguém tinha demonstrado que silenciar estes genes específicos podia eliminar por completo uma defesa da Daphnia.

As anténulas captam o cheiro

A equipa deu igual atenção ao local e ao momento em que os recetores surgem. Após a exposição ao predador, a produção de IR25a e IR93a aumentou nas anténulas em seis horas.

Manteve-se elevada durante dias. As células passaram a produzir mais destas proteínas precisamente onde eram necessárias. Este calendário é compatível com o funcionamento destas defesas.

As transformações corporais não são imediatas: desenvolvem-se ao longo de uma ou duas fases de crescimento. A atividade molecular nas anténulas começa quase de imediato, enquanto as defesas estruturais surgem mais lentamente.

As anténulas confirmam o local sensorial. Estudos anteriores tinham mostrado que as Daphnia detetavam primeiro os sinais dos predadores nesses apêndices, mas este estudo identificou as proteínas específicas responsáveis.

Ameaças para lagoas silenciosas

Para Weiss, as implicações vão além da biologia dos crustáceos. Se a ligação química entre predador e presa for interrompida, defende ela, as presas deixam de construir defesas.

As suas taxas de alimentação são afetadas, as populações seguem o mesmo caminho e a teia alimentar mais ampla de água doce começa a desfazer-se.

As alterações climáticas aquecem as lagoas, modificam a química e reorganizam a distribuição das espécies. Predadores invasores podem emitir sinais químicos que as presas locais nunca encontraram.

Se uma pulga-de-água não conseguir reconhecer a molécula, não forma armadura e as comunidades das lagoas reorganizam-se discretamente. A interação molecular entre predador e presa nas Daphnia era antes uma caixa-preta.

Agora, os investigadores conseguem apontar duas proteínas no centro desse sistema, genes cujo silenciamento elimina toda a defesa.

Trabalhos futuros poderão partir da investigação que identifica moléculas específicas de predadores e perguntar como cada espécie passou a reconhecer as substâncias químicas do seu próprio predador.

Também poderão testar até que ponto as teias alimentares de água doce resistem à chegada de novos sinais químicos.