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Evolução: “Mini cérebros” cultivados em laboratório sugerem que uma mutação pode ter recriado a mente humana

Como nós, humanos, nos tornamos o que somos hoje é uma questão que os cientistas vêm tentando responder há muito tempo. Como evoluímos essas habilidades cognitivas avançadas, dando origem a uma linguagem complexa, poesia e ciência espacial? De que forma o cérebro humano moderno é diferente do cérebro de nossos parentes evolutivos mais próximos, como os neandertais e os denisovanos?

Ao reintroduzir genes antigos dessas espécies extintas em “minicérebros” humanos – aglomerados de células-tronco cultivadas em um laboratório que se organizam em versões minúsculas de cérebros humanos – os cientistas começaram a encontrar novas pistas.

Muito do que sabemos sobre a evolução humana vem do estudo de fósseis e ossos antigos. Sabemos que os neandertais e denisovanos divergiram dos humanos por volta de 500.000-600.000 anos atrás, e que os últimos neandertais não desapareceram da Europa até cerca de 40.000 anos atrás.

A pesquisa também mostrou que humanos e neandertais se cruzam e que os neandertais eram muito mais sofisticados do que se pensava anteriormente.

Ao estudar o tamanho e a forma de crânios fossilizados, também sabemos que os cérebros de humanos arcaicos eram quase do mesmo tamanho que os crânios humanos modernos, senão maiores, e parecem ter formas diferentes. No entanto, embora tais variações possam estar correlacionadas com diferentes habilidades e funções cognitivas, os fósseis não podem explicar sozinhos como as formas afetam a função. Felizmente, os avanços tecnológicos recentes forneceram um novo caminho para a compreensão de como somos diferentes de nossos parentes extintos.

Homo Sapiens x Neandertais. Fonte: Wikipedia CC BY-SA

O sequenciamento do DNA antigo permitiu aos cientistas comparar os genes dos neandertais e denisovanos com os dos humanos modernos. Isso ajudou a identificar diferenças e semelhanças, revelando que compartilhamos a maior parte de nosso DNA com neandertais e denisovanos.

Ainda assim, em regiões específicas, existem variantes de genes transportados exclusivamente por humanos modernos. Essas regiões de DNA específicas para humanos podem ser responsáveis ​​por características que separam nossa espécie de nossos parentes extintos. Ao compreender como esses genes funcionam, podemos, portanto, aprender sobre as características que são exclusivas dos humanos modernos.

Estudos comparando sequências de DNA arcaicas e modernas identificaram diferenças em genes importantes para a função, comportamento e desenvolvimento do cérebro – em particular genes envolvidos na divisão celular e sinapses (que transmitem impulsos nervosos elétricos entre as células). Isso sugere que o cérebro humano amadurece mais lentamente do que o do Neandertal.

Especificamente, o desenvolvimento do córtex orbitofrontal em bebês, que se acredita estar envolvido na cognição de ordem superior, como a tomada de decisões, pode ter mudado de maneira significativa, mas sutil, desde a separação dos neandertais. Os humanos também atingem a maturidade sexual mais tarde do que seus ancestrais, o que pode ajudar a explicar por que vivemos mais.

Cérebros em crescimento
Há muito tempo não está claro quais mudanças evolutivas foram as mais importantes. Uma equipe de cientistas liderada por Alysson Muotri da Universidade da Califórnia, em San Diego, publicou recentemente um estudo na Science que lançou alguma luz sobre essa questão.

Eles fizeram isso criando mini cérebros – que são conhecidos cientificamente como “organoides” – a partir de células-tronco derivadas da pele. Os organóides do cérebro não são conscientes da maneira como nós somos – eles são muito simples e não atingem tamanhos maiores do que cerca de cinco ou seis milímetros, devido à falta de suprimento de sangue. Mas eles podem emitir ondas cerebrais e desenvolver redes neurais relativamente complexas que respondem à luz.

A equipe inseriu uma versão extinta de um gene envolvido no desenvolvimento do cérebro nos organoides usando a tecnologia CRISPR-Cas9 ganhadora do prêmio Nobel, frequentemente descrita como “tesoura genética”, que permite a edição e manipulação precisa de genes.

Organoide do cérebro humano. Crédito da imagem: NIH / Flickr

Sabemos que a versão antiga do gene estava presente em neandertais e denisovanos, enquanto uma mutação posteriormente mudou o gene para a versão atual que os humanos modernos carregam.

Os organóides projetados exibiam várias diferenças. Eles se expandiram mais lentamente do que os organóides humanos e alteraram a formação de conexões entre os neurônios. Eles também eram menores e tinham superfícies ásperas e complexas em comparação com os organóides humanos modernos lisos e esféricos.

Uma mutação motriz?
O estudo identificou 61 genes que são diferentes entre humanos modernos e arcaicos. Um desses genes é NOVA1, que tem um papel essencial na regulação da atividade de outros genes durante o desenvolvimento inicial do cérebro. Ele também desempenha um papel na formação de sinapses.

A atividade alterada de NOVA1 foi previamente encontrada para causar distúrbios neurológicos, como microcefalia (levando a uma cabeça pequena), convulsões, atraso de desenvolvimento grave e um distúrbio genético denominado disautonomia familiar, sugerindo que é importante para a função normal do cérebro humano. A versão que os humanos modernos carregam tem uma mudança em uma única letra do código. Essa mudança faz com que o produto do gene, a proteína NOVA1, tenha uma composição diferente e possivelmente uma atividade diferente.

Ao analisar os organóides, os cientistas descobriram que o gene NOVA1 arcaico mudou a atividade de 277 outros genes – muitos deles estão envolvidos na criação de sinapses e conexões entre as células cerebrais. Como resultado, os mini cérebros tinham uma rede de células diferente das de um ser humano moderno.

Isso significa que a mutação em NOVA1 causou mudanças essenciais em nossos cérebros. Uma mudança em uma única letra do código do DNA possivelmente desencadeando um novo nível de função cerebral em humanos modernos. O que não sabemos é como exatamente isso aconteceu.

A equipe disse que acompanhará sua descoberta fascinante investigando os outros 60 genes com mais detalhes, para ver o que acontece quando você altera cada um ou uma combinação de vários.

Sem dúvida, é uma área de pesquisa intrigante, com os organóides fornecendo informações importantes sobre os cérebros dessas espécies antigas. Mas estamos apenas no começo. A manipulação de um único gene não captura a verdadeira genética Neandertal e Denisovana. Mas ainda pode ajudar os cientistas a entender como funcionam alguns genes específicos de humanos.

Itzia Ferrer e Per Brattás para SingularityHub.

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À medida que a lei de Moore desacelera, a especialização em chip pode minar o progresso da computação

Por décadas, os chips de computador que executam tudo, de PCs a espaçonaves, pareceram notavelmente semelhantes. Mas, à medida que a Lei de Moore desacelera, os líderes do setor estão adotando chips especializados, que, dizem os especialistas, ameaçam minar as forças econômicas que alimentam nosso rápido crescimento tecnológico.

Os primeiros computadores costumavam ser projetados para realizar tarefas muito específicas e, mesmo que pudessem ser reprogramados, muitas vezes exigiria uma reconfiguração física trabalhosa. Mas em 1945, o cientista da computação John von Neumann propôs uma nova arquitetura que permitia a um computador armazenar e executar muitos programas diferentes no mesmo hardware subjacente.

A ideia foi adotada rapidamente, e a “arquitetura von Neuman” sustentou a esmagadora maioria dos processadores feitos desde então. É por isso que, apesar das velocidades de processamento muito diferentes, o chip em seu laptop e um em um supercomputador operam mais ou menos da mesma maneira e são baseados em princípios de design muito semelhantes.

Isso fez dos computadores o que é conhecido como “tecnologia de uso geral“. Essas são inovações que podem ser aplicadas a amplas áreas da economia e podem ter impactos profundos na sociedade. E uma das características dessas tecnologias é que normalmente se beneficiam de um ciclo econômico virtuoso que aumenta o ritmo de seu desenvolvimento.

À medida que os primeiros usuários começam a comprar uma tecnologia, ela gera receita que pode ser investida em novos produtos de desenvolvimento. Isso aumenta as capacidades do produto e reduz os preços, o que significa que mais pessoas podem adotar a tecnologia, alimentando a próxima rodada de progresso.

Com uma tecnologia amplamente aplicável como os computadores, esse ciclo pode se repetir por décadas, e de fato repetiu. Essa tem sido a força econômica que impulsionou a rápida melhoria dos computadores nos últimos 50 anos e sua integração em quase todos os setores imagináveis.

Mas em um novo artigo na Communications of the ACM, os cientistas da computação Neil Thompson e Svenja Spanuth argumentam que esse ciclo de feedback positivo está chegando ao fim, o que pode em breve levar a uma indústria de computação fragmentada, onde alguns aplicativos continuam a ver melhorias, mas outros conseguem preso em uma pista lenta tecnológica.

A razão para essa fragmentação é a desaceleração do ritmo de inovação em chips de computador caracterizada pela morte lenta da Lei de Moore, dizem eles. À medida que nos aproximamos dos limites físicos de quanto podemos miniaturizar os chips de silício dos quais todos os computadores comerciais dependem, o tempo que leva para cada salto no poder de processamento aumentou significativamente e o custo para alcançá-lo aumentou.

Retardar a inovação significa menos novos usuários adotando a tecnologia, o que, por sua vez, reduz a quantidade de dinheiro que os fabricantes de chips têm para financiar novos desenvolvimentos. Isso cria um ciclo de auto-reforço que torna a economia dos chips universais menos atraente e retarda ainda mais o progresso técnico.

Na realidade, os autores observam que o custo de construção de fundições de chips de última geração também aumentou dramaticamente, colocando ainda mais pressão sobre a indústria. Por algum tempo, a incompatibilidade entre o crescimento do mercado e o aumento dos custos fez com que o número de fabricantes de chips se consolidasse de 25 em 2003 para apenas 3 em 2017.

Como o desempenho aumenta lentamente, isso torna o caso de chips especializados cada vez mais atraente, dizem os autores. As decisões de design que tornam os chips universais podem ser abaixo do ideal para certas tarefas de computação, particularmente aquelas que podem executar muitos cálculos em paralelo, podem ser feitas com menor precisão ou cujos cálculos podem ser feitos em intervalos regulares.

Construir chips especialmente projetados para esses tipos de tarefas muitas vezes pode trazer aumentos de desempenho significativos, mas se eles têm apenas mercados pequenos, eles normalmente melhoram mais lentamente e custam mais do que os chips universais. É por isso que sua aceitação tem sido historicamente baixa, mas com a desaceleração no progresso universal do chip que está começando a mudar.

Hoje, todas as principais plataformas de computação, de smartphones a supercomputadores e chips integrados, estão se tornando mais especializadas, dizem os autores. A ascensão da GPU como o carro-chefe do aprendizado de máquina – e cada vez mais da supercomputação – é o exemplo mais óbvio. Desde então, empresas líderes de tecnologia como Google e Amazon começaram a construir seus próprios chips de aprendizado de máquina personalizados, assim como os mineradores de bitcoin.

O que isso significa é que aqueles com demanda suficiente para seus aplicativos de nicho, que podem se beneficiar da especialização, verão aumentos de desempenho contínuos. Mas onde a especialização não é uma opção, o desempenho do chip tende a estagnar consideravelmente, dizem os autores.

A mudança para a computação em nuvem pode ajudar a mitigar um pouco esse processo, reduzindo a demanda por processadores especializados, mas de forma mais realista, será necessário um grande avanço na tecnologia da computação para nos empurrar de volta para o tipo de ciclo virtuoso que desfrutamos nos últimos 50 anos.

Dados os enormes benefícios que nossas sociedades colheram com o poder de computação cada vez mais aprimorado, realizar esse tipo de avanço deve ser uma grande prioridade.

Edd Gent para SingularityHub.

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A vida extraterrestre pode estar se escondendo nos mundos oceânicos de nossa galáxia

Na busca por vida extraterrestre, a água líquida é crucial. A vida como a conhecemos não pode existir sem água. Esse fato levou os cientistas a procurar gêmeos de nosso planeta ao redor de outras estrelas na busca contínua da humanidade por companhia no universo. As Terras Gêmeas seriam planetas rochosos do tamanho do nosso que orbitam suas estrelas na zona habitável – uma faixa de temperaturas dentro da qual água líquida pode existir na superfície de um planeta, como acontece aqui.

A última estimativa do número de planetas semelhantes à Terra na galáxia é adequadamente astronômica, pesando no mínimo 300 milhões de Terras alienígenas em potencial (e talvez muito mais).

Mas mesmo esse número pode ser uma grande subestimação do número de corpos celestes que podem, em teoria, sustentar a vida como a conhecemos. E precisamos apenas olhar para nosso próprio sistema solar para ver o porquê: os oceanos da superfície da Terra, ao que parece, são a exceção à regra quando se trata de água líquida.

Além da Terra, há evidências de mais sete oceanos no sistema solar (e a teoria sugere que existem pelo menos mais dois). Mas todos esses são oceanos subterrâneos, envoltos em crostas geladas e rochosas com quilômetros de espessura de luas do sistema solar e planetas anões.

Se descobrirmos que esses mundos oceânicos interiores são tão abundantes em torno de outras estrelas quanto são aqui, isso aumentaria o número de chances que a vida teve de se desenvolver na galáxia, aumentaria as chances de sobrevivência ao longo do tempo e talvez até explique por que nós ‘ Ainda não encontrei evidências convincentes de outras civilizações tecnológicas por aí.

Isso é tudo de acordo com um relatório conciso [PDF] apresentado na Conferência de Ciência Lunar e Planetária anual esta semana. No relatório, S. Alan Stern, um cientista planetário do Southwest Research Institute, explora as implicações de uma galáxia cheia de sistemas estelares em que, semelhante ao nosso próprio sistema solar, mundos com oceanos abaixo da superfície são comuns.

Lembre-se de que o relatório é uma extrapolação das descobertas atuais e a exploração de suas implicações. Os astrônomos ainda estão coletando dados em mundos oceânicos no sistema solar e estão apenas começando a encontrar evidências de possíveis exomoons orbitando planetas em outros sistemas estelares. Ainda é cedo para medir a composição de exoplanetas, sem falar de suas luas.

Dito isso, dado o que sabemos, é uma perspectiva fascinante e, se correta, pode significar que nossa própria experiência aqui na Terra é ainda mais um caso especial do que imaginamos.

Água, água em todo lugar
O sistema solar externo está transbordando de água, geralmente na forma de vapor ou gelo. Mas ficamos surpresos ao descobrir que a água líquida não apenas existe, mas é muito mais comum do que o esperado.

A evidência mais forte sugere que há oceanos subterrâneos na lua de Júpiter, Europa, e nas luas de Saturno, Enceladus e Titan. Mas eles também podem estar presentes em várias outras luas do sistema solar externo, como Calisto, Ganimedes e Tritão, e até mesmo no planeta anão Plutão.

Para luas orbitando os gigantes gasosos, a energia gravitacional está no assento do motorista. À medida que as luas traçam órbitas elípticas em torno de seus planetas, forças gravitacionais variáveis ​​flexionam seus interiores e produzem grandes quantidades de calor – mais do que o suficiente, acredita-se, para manter os oceanos líquidos. No caso de Plutão (e talvez de outros objetos do Cinturão de Kuiper), os cientistas acham que os materiais radioativos no núcleo mantêm seus oceanos aquecidos e líquidos.

Esses mundos oceânicos interiores são alguns dos melhores lugares no sistema solar para procurar vida além da Terra. Já sabemos que os extremófilos – organismos unicelulares que vivem em condições extremas – prosperam em torno de aberturas vulcânicas nas profundezas de nossos oceanos, em grande parte isolados do sol. No mínimo, os cientistas acreditam que, sob as condições certas, formas de vida semelhantes também podem se apoiar nas luas externas do sistema solar.

Se o resto da galáxia se parece com o lar
Então, e se outros sistemas estelares forem como o nosso, repletos de oceanos subterrâneos em luas e planetas anões? Em seu relatório, Stern sugere que os mundos oceânicos internos têm várias vantagens sobre os mundos oceânicos externos e, portanto, se eles forem comuns, é muito menos provável que estejamos sozinhos no universo – mas também, pode ser muito mais difícil provar o caso. .

Como os oceanos interiores são envoltos em crostas rochosas e geladas com quilômetros de espessura, eles são menos dependentes das condições em torno de sua estrela hospedeira. Isso significa que eles podem persistir muito fora das zonas habitáveis ​​do mundo oceânico externo – como vimos em nosso sistema solar – e em torno de uma variedade mais ampla de tipos estelares. Eles podem nem mesmo precisar de uma estrela hospedeira, escreve Stern, e podem existir em planetas errantes ejetados de seus sistemas.

Além disso, se a vida evoluísse em um mundo oceânico interior, a camada protetora natural de seu mundo natal o protegeria de uma variedade de riscos existenciais enfrentados pela vida na superfície dos planetas.

Isso inclui impactos de asteróides e cometas, a detonação de supernovas próximas e radiação estelar perigosa de suas estrelas hospedeiras. Na verdade, esses planetas teriam pouca necessidade de campos magnéticos fortes, como o da Terra, para protegê-los da radiação.

Essas condições podem ser ideais para a vida evoluir e prosperar. E isso pode significar que a vida ocorre com mais frequência e persiste por mais tempo em mundos oceânicos interiores do que em planetas com oceanos superficiais. Mas se a vida, e mais especificamente a vida inteligente, existir em tais mundos – ambos ainda são “grandes se” Stern enfatiza – seria mais difícil descobrir.

“A mesma camada protetora de gelo e rocha que cria ambientes estáveis ​​para a vida também sequestra essa vida da fácil detecção”, disse Stern.

Por exemplo, os cientistas pretendem sondar as atmosferas de exoplanetas em busca de bioassinaturas em um futuro próximo, mas esses sinais de vida estariam firmemente contidos nas conchas dos mundos oceânicos interiores. E enquanto a Terra vaza os sinais de rádio de nossa civilização como uma peneira, nenhum sinal escaparia das espessas cascas geladas e rochosas dos mundos oceânicos interiores. Na verdade, especula Stern, é menos provável que a vida inteligente que evolui em tais mundos seja tão consciente do universo mais amplo, se comunique com sinais eletromagnéticos e desenvolva viagens espaciais.

Encontrando Provas Aqui Primeiro
Tudo isso, é claro, depende de quão comuns são os mundos oceânicos interiores e se eles são realmente capazes de hospedar vida. Provavelmente aprenderemos mais sobre ambos nos próximos anos.

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