Como a biologia do desenvolvimento pode conter os segredos da vida, inteligência e imortalidade.
I. O mistério, ou como um ovo se transforma em você
Quais são os maiores mistérios da ciência? Quando fazemos essa pergunta, tendemos a falar sobre tópicos gerais, como matéria escura, consciência, alienígenas e universos paralelos. Não falamos muito sobre algo que é mais comum, mas igualmente surpreendente: como é que o corpo humano se constrói a partir de uma única célula, como quando um único óvulo fertilizado se desenvolve num embrião e, finalmente, num adulto de pleno direito?
Não temos tendência a fazer esta pergunta porque estamos habituados a ela: os bebés nascem, as bolotas transformam-se em árvores e os ovos eclodem em galinhas todos os dias. Mas há realmente algo de desconcertante nisso. Pense no que suas células têm de fazer no processo de construção do seu corpo: elas têm de coordenar suas posições para seguir uma arquitetura detalhada de ossos, pele, músculos e órgãos; eles têm que construir e interligar os cem bilhões de neurônios do seu cérebro; cada célula tem que decidir em que tipo de célula se especializar e quanto duplicar para garantir que todas as proporções das partes do seu corpo estejam corretas. Como tantas unidades individuais cooperam para se automontarem em um todo grande e funcional?
Bem, vamos primeiro considerar um tipo muito diferente de todo funcional: os computadores, os carros e outras máquinas que compõem o nosso ambiente construído. Essas coisas também são conjuntos funcionais complexos compostos de inúmeras partes minúsculas. Mas estão “mortos” no sentido de que não se constroem nem se curam. A única coisa que permite que todas as pequenas peças funcionem juntas é o fato de que nós mesmos projetamos e montamos todas as peças, executando meticulosamente um plano detalhado. O problema com a biologia é que não existe esse tipo de planejamento de cima para baixo: quando um óvulo prolifera em um corpo completo, não existe um “centro de comando central” que tenha acesso a todo o corpo em desenvolvimento e possa ditar o que cada um deve fazer. parte faz. Não há cérebro por perto para dizer ao corpo como construir o próprio cérebro.
Na ausência de um design de cima para baixo, a nossa imagem convencional da biologia é que tudo acontece de baixo para cima: os mecanismos moleculares ditam as funções das células, que ditam as funções dos seus órgãos e que, em última análise, controlam o seu corpo. O que está na base dessa hierarquia – a base para tudo o mais na vida? O genoma. Os genes são considerados o código fundamental da vida, por isso, quando se trata de descobrir questões sobre como o corpo se desenvolve, ou como curar doenças ou alterar características biológicas específicas, tendemos a olhar para lá. Gastamos grande parte de nossos esforços de pesquisa fazendo coisas como estudar o gene que desencadeia a construção dos olhos , ou tentar identificar as bases genéticas do Alzheimer e do câncer, ou estudar como mutações em um gene específico alteram o ritmo circadiano de uma mosca da fruta . sequenciando o genoma humano em 2003, fomos inundados por dados genômicos com os quais não sabemos bem o que fazer, mas a ênfase está principalmente em como os genes e as vias químicas determinam a estrutura de alto nível do organismo.
Isto é, até Michael Levin (e muitos outros) entrar em cena. Eles chegaram e disseram: os genes são ótimos e contêm muitas das informações necessárias para a construção do nosso corpo. Mas não contêm tudo isso e não constituem um nível útil de abstração para a compreensão de como o corpo se desenvolve e, consequentemente, também não são úteis para tentar intervir na biologia (por exemplo, para regenerar órgãos danificados ou para curar doenças). como o câncer). Se você já fez alguma programação, sabe que existem muitos níveis de abstração – linguagens de programação de nível superior e de nível inferior, APIs de nível superior e de nível inferior – nos quais você pode tentar entender ou manipular o software que é executado no seu computador. O argumento de Levin é que os genes são como o código de máquina, e os programadores modernos nunca pensam em código de máquina – eles pensam em construções de software de nível superior, como objetos, módulos e aplicativos. A afirmação ousada incorporada no seu trabalho – a verdadeira revolução aqui – é que níveis mais elevados de abstração e controle existem significativamente na biologia. E uma das maneiras pelas quais esse nível mais elevado de abstração se manifesta é algo chamado de rede bioelétrica do organismo.
II. Bioeletricidade, ou o verme que se divide em dois
Geralmente pensamos nos neurônios como as únicas células do nosso corpo que produzem comportamento inteligente através da comunicação em grandes redes. Os neurônios estão constantemente se comunicando entre si na forma de padrões elétricos em suas membranas e neurotransmissores, que são substâncias químicas que transferem mensagens entre as células. Mas acontece que as células de todo o corpo têm exatamente os mesmos blocos de construção para essa comunicação. Eles fazem a mesma comunicação, mas mais lentamente. Levin e companhia chamam isso de rede bioelétrica , distinta de uma rede neural.
Nas últimas décadas, descobrimos todas as maneiras pelas quais as redes bioelétricas distribuídas pelo corpo fazem o mesmo tipo de coisas que o cérebro faz: armazena memórias, resolve problemas e orienta o desenvolvimento. Para ter uma noção da rede bioelétrica em ação, temos que falar sobre uma criatura alucinante chamada planária. Esta criaturinha (com cerca de 2 cm de comprimento) é uma espécie de “gênio” do desenvolvimento: não envelhece, não contrai câncer e é extremamente regenerativa, capaz de regenerar qualquer parte de seu corpo que seja cortada, mesmo que esteja cortado em mais de 250 pedaços.
A questão que fizemos anteriormente – como um óvulo se expande até formar um corpo inteiro – aplica-se igualmente à forma como a planária regenera todo o seu corpo a partir de apenas um pequeno pedaço de tecido. (Podemos pensar no próprio desenvolvimento como uma espécie de evento de regeneração.) Embora ainda haja muito a compreender sobre as profundas qualidades regenerativas da planária, Levin e outros demonstraram que a rede bioeléctrica do verme desempenha um papel crucial.2
Imagine pegar um desses vermes e dividi-lo em dois. Agora você tem dois meio-vermes, e cada um desses meio-vermes tem a tarefa de reconstruir o resto do corpo. Há aqui uma decisão crucial que as células têm de tomar: que parte do corpo já temos e que parte precisamos de construir? Um dos meio-vermes precisa produzir uma cauda e o outro meio-verme precisa produzir uma cabeça. Mas as células estão bem no meio do corpo, extremamente distantes (do ponto de vista da célula) tanto da cabeça quanto da cauda. Como as células têm ideia do que deveriam gerar?
A resposta, pelo menos em parte, é que ao longo de todo o corpo as células do verme apresentam um gradiente de “potenciais de membrana em repouso”, que é efectivamente um estado eléctrico estável. As células controlam a sua “posição” no corpo desta forma, e experiências demonstraram que o estado eléctrico da célula em relação ao resto do corpo é o que determina se ela irá proliferar numa cabeça ou numa cauda.
Por que isso tudo importa? Porque uma vez que entendemos como as células se coordenam para decidir quais partes do corpo construir, podemos começar a intervir nesse desenvolvimento para criar novas estruturas corporais. E eles fizeram exatamente isso: a equipe de Levin conseguiu induzir o verme a gerar duas cabeças em vez de uma , colocando-o em uma solução de drogas que bloqueavam canais iônicos específicos (que por sua vez alteravam o estado elétrico das células). . Eles também induziram o verme a não gerar nenhuma cabeça ou a gerar a cabeça de uma espécie de verme diferente . Todos esses são vermes vivos e funcionais, apenas com uma estrutura corporal muito diferente.
Tenha em mente um ponto crucial: em todos esses experimentos, os genes dos vermes nunca são editados. Você obtém um verme funcional totalmente diferente com os mesmos genes. E o que é ainda mais selvagem é que algumas dessas mudanças são duradouras: sem quaisquer medicamentos ou modificações adicionais, o verme de duas cabeças produz descendentes que também têm duas cabeças , indefinidamente.4Pense no que isto significa: conseguimos uma mudança permanente na estrutura do verme, sem alterar os seus genes. Transcendemos o código genético e, em vez disso, estamos aprendendo a decifrar o código bioelétrico do corpo.
O verme é apenas um exemplo: o laboratório de Levin e outros já demonstraram um nível surpreendente de controle sobre o desenvolvimento através da modulação de redes bioelétricas. Eles fizeram coisas como fazer com que os sapos desenvolvessem membros extras e fazer com que desenvolvessem um olho no intestino ou um olho na cauda por onde pudessem realmente ver . O objetivo final com que Levin sonha é um “compilador anatômico” – um programa que recebe como entrada uma especificação para um órgão ou plano corporal arbitrário e produz o conjunto específico de sinais químicos e elétricos necessários para gerar esse órgão. Imagine imprimir em 3D órgãos e organismos sintéticos inteiros, exceto que, em vez de precisar especificar todos os detalhes de nível micro, você pode apenas fornecer uma descrição de alto nível, como “um olho extra na cauda”. Este é Dall-E, mas para biologia. E, a muito longo prazo, poderá ser a resposta para praticamente toda a biomedicina, incluindo lesões traumáticas, defeitos congénitos, doenças degenerativas, cancro e envelhecimento.
III. Inteligência Fractal, Criatividade Fractal
Assim, a nível prático, o impacto do trabalho de Levin é um afastamento dos genes como o único determinante da estrutura, deslocando-se em vez disso para a rede bioeléctrica. Mas há aqui uma tese mais ampla, que consiste em reconhecer que os termos “inteligência” e “cognição” se aplicam a muito mais áreas da biologia do que tendemos a pensar. O próprio processo de desenvolvimento tem uma inteligência própria: por exemplo, se você pegar um girino (o precursor de um sapo) e mexer manualmente em seus órgãos faciais, esses órgãos faciais serão realocados de volta ao lugar correto à medida que o girino amadurece.
O corpo em desenvolvimento do girino está se movendo ativamente em direção a um estado de “objetivo”: não é um sistema codificado que segue cegamente um conjunto predeterminado de etapas codificadas nos genes. A confusão manual criada pelos experimentadores (chamados de “sapos picasso”) é uma situação que não teria ocorrido no ambiente evolutivo, portanto não pode ser algo para o qual foi especificamente selecionado.
Existem muitos outros exemplos dessa adaptabilidade em sistemas biológicos, encontrados ao nível de células individuais e de grupos de células. Levin define “inteligência” como a capacidade de atingir o mesmo objectivo através de diferentes meios, e ao longo dos anos ele e outros documentaram caso após caso de tal adaptabilidade. Se um embrião em desenvolvimento for cortado cirurgicamente em dois, ele se desenvolverá em dois gêmeos separados e saudáveis, em vez de dois meios-corpos; os embriões se reestruturam rapidamente em resposta a perturbações externas. Se as células de uma salamandra forem artificialmente aumentadas, os túbulos nos rins ainda se desenvolvem para ter o mesmo tamanho objetivo, simplesmente usando menos células por tubo. É como se as células cooperassem para produzir um tubo de tamanho fixo, independentemente do tamanho das células individuais. À medida que as células individuais são feitas para serem cada vez maiores, a salamandra desenvolve até túbulos a partir de uma única célula que se transforma em si mesma:
Portanto, temos todos esses exemplos de inteligência fractal, nas camadas acima e abaixo da pilha da biologia. Mas o outro lado da inteligência é a criatividade : a biologia é capaz não apenas de recuperar a mesma funcionalidade quando perturbada, mas de adotar tipos inteiramente novos de funcionalidade quando recebe o conjunto certo de instruções. A equipe de Levin retirou células da pele de um sapo embrionário e deu-lhes certos sinais para criar “biobots” que se movem por conta própria e até se auto-replicam . (Novamente: sem modificações genéticas, apenas pegando células-tronco comuns e administrando-lhes medicamentos.) Mais recentemente, eles retiraram células de tecido pulmonar humano adulto e as usaram para construir biorobôs móveis que podem curar neurônios danificados . Há todo um mundo de criatividade latente a ser descoberto em todos os níveis da biologia, e as aplicações potenciais são infinitas. Imagine criar pequenos biobots que possam atacar células cancerígenas, limpar toxinas do meio ambiente ou curar tecido nervoso degenerado.
A maior e alucinante mudança de perspectiva no trabalho de Levin é repensar o que pensamos que conta como um “agente”, com os “objectivos” que persegue. Uma célula é um agente? Um embrião? E um fígado? E quanto ao seu sistema imunológico? Levin levanta a hipótese de que muito antes da evolução descobrir a agência e o processamento inteligente de informações nos cérebros, ela já havia descoberto isso em sistemas de nível inferior – na morfogênese (o processo pelo qual um organismo desenvolve sua estrutura de alto nível), em colônias bacterianas e até mesmo em redes de genes . São sistemas que temos dificuldade em ver como entidades autónomas capazes de formar memórias ou de ter objetivos. Mas o que considero verdadeiramente especial no trabalho de Levin é que ele não defende apenas uma mudança de perspectiva a partir de uma poltrona: a sua equipa tem realizado décadas de trabalho experimental demonstrando a validade e a promessa destas ideias. O seu foco não tem sido apenas filosofar sobre o que é inteligência e agência, mas sim perguntar: que definições, que enquadramentos, conduzirão às linhas mais frutíferas de investigação empírica e potenciais aplicações? Uma vez que vemos células e grupos de células como tendo uma inteligência inata, podemos aproveitar essa inteligência para os nossos próprios fins.
Não é apenas a biomedicina que tem a ganhar com esta mudança de perspetiva: se pensarmos que os nossos cérebros, os nossos órgãos e as nossas células têm todos os mesmos blocos de construção básicos para a cognição, então poderemos partilhar ferramentas e ideias de todos os campos. A noção de “ciência cognitiva” expande-se para além do simples estudo dos neurónios no cérebro, para qualquer tipo de célula que se coordene, ou realmente para qualquer colectivo, incluindo grupos de humanos. Paralelos específicos já foram estudados, como o estudo do cancro como um “distúrbio dissociativo de identidade” de grupos de células , ou a descoberta de que as colónias de formigas sucumbem a “ilusões visuais” do mesmo tipo que os cérebros. Levin diz que toda inteligência é inteligência colectiva: todas estas “inteligências diversas” são, em última análise, constituídas por partes, um grande número de subunidades que têm as suas próprias competências e inteligência de nível inferior, combinando-se para produzir algo maior do que o todo. Tendemos a pensar em nós mesmos como indivíduos, como uma unidade indivisível, mas o mesmo rótulo de “inteligência coletiva” se aplica a cada um de nós: somos, em última análise, uma coleção de cem bilhões de neurônios (e trilhões de outras células) cooperando juntos, cada um célula tendo suas próprias competências e subobjetivos que às vezes até entram em conflito. É estranho pensar em nós mesmos dessa maneira, com nossos cérebros estando no mesmo espectro de uma colônia de formigas ou de um bando de gansos, mas quando você olha para os detalhes de como funcionamos, é difícil ver de outra forma. Assim como o mundo humano é uma sociedade de eus, o seu corpo é uma sociedade de células. A conexão pode ser mais do que uma mera metáfora.