Como as Daphnia detetam predadores através de sinais químicos

Uma pulga-de-água criada em água totalmente segura pode, ainda assim, desenvolver uma armadura contra um predador com o qual nunca se cruzou.

Os capacetes aumentam de volume, os espinhos caudais alongam-se e o corpo muda de forma. 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 perante substâncias químicas deixadas por predadores.

Tanto os sinais como as alterações físicas são reais. Contudo, antes de um estudo recente, ninguém tinha esclarecido o primeiro passo: como é que uma molécula dissolvida na água se transforma numa instrução para o organismo crescer de outra forma.

Um alarme químico

As Daphnia, pequenos crustáceos de água doce, são há décadas organismos muito utilizados em laboratório.

Os investigadores descobriram há muito que a proximidade de um predador leva estes animais a formar estruturas invulgares, incluindo capacetes, espinhos na cauda e cabeças desproporcionadamente grandes. O estímulo não é visual nem sonoro: é o cheiro.

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

Sem intenção, o predador anuncia que está presente, enquanto a presa interceta essa mensagem. O modo como a presa reconhecia esse aviso continuava por explicar.

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

Três espécies de Daphnia, três ameaças

O laboratório trabalhou com três espécies, cada uma exposta a um inimigo diferente. A Daphnia magna partilha o habitat com o Triops, um pequeno crustáceo predador.

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

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

Esta espécie aumenta a cabeça, formando uma cúpula pontiaguda que lhe permite escapar a essa preensão. Já a Daphnia lumholtzi é ameaçada por esgana-gatas, um tipo de peixe predador pequeno, espinhoso.

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

Em vez disso, decifram as moléculas específicas de cada caçador. Trabalhos anteriores já tinham sugerido 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 a este enigma há vários anos.

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

Estes recetores são frequentes em insetos e noutros artrópodes, nos quais desempenham funções de olfato e paladar.

Dois deles chamaram a atenção da equipa: IR25a e IR93a. Enquanto correceptores, não reconhecem por si só substâncias químicas específicas.

Em conjunto, mantêm a estrutura sensorial unida e fixada à membrana celular. Sem eles, aparentemente, a pista química do predador não pode ser interpretada.

A pergunta é simples, mas a sua verificação técnica é difícil: se estas duas proteínas forem removidas, a Daphnia continuará a reconhecer um predador?

Silenciar os genes

Para testar essa hipótese, a equipa recorreu à interferência por RNA. Normalmente, os genes são copiados para RNA mensageiro, as instruções de trabalho que a célula utiliza para produzir proteínas.

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

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

No entanto, deixaram de conseguir produzir as proteínas correceptoras usadas pelos seus quimiorrecetores, os sensores moleculares de sinais químicos.

Esses quimiorrecetores localizam-se nas anténulas, pequenos apêndices sensoriais próximos da cabeça.

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

Sem sinal, sem escudo

Os animais com recetores funcionais fizeram precisamente 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-lhes e os seus corpos reagiram. Já os animais silenciados não fizeram nada: os seus contornos eram idênticos aos de presas criadas em tanques seguros, sem predadores.

Não houve inchaço, capacete nem espinhos, embora as moléculas de aviso estivessem dissolvidas na mesma água que os rodeava.

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

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

As anténulas detetam o cheiro

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

Esse aumento manteve-se durante dias. As células passaram a produzir mais destas proteínas exatamente no local onde eram necessárias. O calendário corresponde ao funcionamento destas defesas.

As transformações corporais não ocorrem de imediato: desenvolvem-se ao longo de uma ou duas fases de crescimento. A atividade molecular nas anténulas começa quase instantaneamente, enquanto as defesas estruturais demoram mais a formar-se.

As anténulas confirmam o local da perceção sensorial. Estudos anteriores já tinham mostrado que as Daphnia detetavam inicialmente os sinais dos predadores nestes apêndices, mas este estudo identificou as proteínas concretas responsáveis.

Ameaças aos lagos tranquilos

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

As taxas de alimentação são prejudicadas, as populações ressentem-se e a teia alimentar mais ampla de água doce começa a desorganizar-se.

As alterações climáticas aquecem os lagos, modificam a química da água e alteram a distribuição das espécies. Predadores invasores podem libertar sinais químicos que as presas locais nunca encontraram.

Se uma pulga-de-água não reconhecer a molécula, não forma armadura, e as comunidades dos lagos transformam-se silenciosamente. A interação molecular entre predador e presa nas Daphnia era antes uma caixa-preta.

Agora, os investigadores conseguem apontar para duas proteínas no centro deste sistema: genes cujo silenciamento apaga toda a defesa.

Estudos futuros poderão desenvolver a investigação que identifica moléculas específicas dos 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.