Evolução

Como é feita a classificação dos seres vivos

Os cientistas coletam informações que lhes permitem fazer conexões evolutivas entre organismos. Semelhante ao trabalho de detetive, os cientistas devem usar provas para descobrir os fatos. No caso da filogenia, as investigações evolutivas enfocam dois tipos de evidências: morfológicas (forma e função) e genéticas.

Duas medidas de similaridade

Organismos que compartilham características físicas e sequências genéticas semelhantes tendem a ser mais estreitamente relacionados do que aqueles que não possuem. Características que se sobrepõem morfologicamente e geneticamente são referidas como estruturas homólogas; as semelhanças derivam de caminhos evolutivos comuns. 

Por exemplo, como mostrado na figura , os ossos nas asas de morcegos e pássaros, os braços de humanos e a perna dianteira de um cavalo são estruturas homólogas. Observe que a estrutura não é simplesmente um único osso, mas sim um agrupamento de vários ossos dispostos de maneira semelhante em cada organismo, embora os elementos da estrutura possam ter mudado de forma e tamanho.

A foto A mostra um pássaro em vôo, com um desenho correspondente dos ossos das asas das aves.  A foto B mostra um morcego voando com um desenho correspondente de ossos de asas de morcegos.  A foto C mostra um cavalo, com um desenho correspondente dos ossos da perna da frente.  A foto D mostra uma baleia beluga, com um desenho correspondente de ossos de barbatana.  A foto E mostra um braço humano, com um desenho correspondente dos ossos do braço.  Todos os membros compartilham ossos comuns, análogos aos ossos dos braços e dedos dos humanos.  No entanto, na asa de morcego, os ossos dos dedos são longos e separados e formam um andaime no qual a membrana da asa é esticada.  Na asa do pássaro, os ossos dos dedos são fundidos.  Na perna do cavalo, a ulna é encurtada e fundida ao rádio.  Os ossos da mão são reduzidos a um osso longo e espesso e os ossos dos dedos são reduzidos a um dedo longo e espesso com uma unha ou casco modificado.
As asas de morcego e de pássaro, a pata dianteira de um cavalo, a barbatana de uma baleia e o braço de um humano são estruturas homólogas, indicando que morcegos, pássaros, cavalos, baleias e humanos compartilham um passado evolucionário comum. (creditar uma foto: modificação do trabalho de Steve Hillebrand, USFWS; crédito b foto: modificação do trabalho pelo US BLM; foto do crédito c: modificação do trabalho por Virendra Kankariya; foto do crédito d: modificação do trabalho pelo Gov./Wikimedia Commons russo )

Aparições enganosas

Alguns organismos podem estar intimamente relacionados, embora uma pequena alteração genética tenha causado uma grande diferença morfológica para torná-los diferentes. Por exemplo, chimpanzés e seres humanos, os crânios dos quais são mostrados na Figura são muito semelhantes geneticamente, a partilha de 99 por cento de um dos seus genes. No entanto, chimpanzés e humanos apresentam diferenças anatômicas consideráveis, incluindo o grau em que a mandíbula se projeta no adulto e os comprimentos relativos de nossos braços e pernas.

A foto A é de um crânio de chimpanzé.  Há uma sobrancelha proeminente proeminente, a área do olho e do nariz é bastante plana, e a maxila e a mandíbula (a mandíbula) sobressaem.  A foto B é de um crânio humano.  O crânio é proporcionalmente maior que o do chimpanzé, a testa é lisa, o nariz e as maçãs do rosto são mais proeminentes e a mandíbula e a maxila projetam-se apenas ligeiramente.
(a) A mandíbula do chimpanzé se sobressai muito mais que (b) a mandíbula humana. (crédito a: modificação do trabalho de “Pastorius” / Wikimedia Commons)

No entanto, organismos não aparentados podem ser distantemente relacionados, mas parecem muito semelhantes, geralmente porque adaptações comuns a condições ambientais similares evoluíram em ambos. Um exemplo são as formas aerodinâmicas do corpo, as formas das barbatanas e apêndices e a forma das caudas nos peixes e baleias, que são mamíferos. 

Essas estruturas têm similaridade superficial porque são adaptações para se movimentar e manobrar no mesmo ambiente – a água. Quando uma característica similar ocorre pela convergência adaptativa (evolução convergente), e não por uma estreita relação evolutiva, ela é chamada de estrutura análoga. Em outro exemplo, insetos usam asas para voar como morcegos e pássaros. 

Chamamos ambas as asas porque executam a mesma função e têm uma forma superficialmente semelhante, mas a origem embrionária das duas asas é completamente diferente. A diferença no desenvolvimento, ou embriogênese, das asas em cada caso é um sinal de que insetos e morcegos ou pássaros não compartilham um ancestral comum que tivesse uma asa. As estruturas das asas, mostradas na Figura, evoluíram independentemente nas duas linhagens.

Traços similares podem ser homólogos ou análogos. Traços homólogos compartilham um caminho evolutivo que levou ao desenvolvimento desse traço, e traços análogos não. Os cientistas devem determinar que tipo de similaridade uma característica exibe para decifrar a filogenia dos organismos que estão sendo estudados.

A parte A mostra uma asa de morcego, a parte B mostra uma asa de morcego e a parte C mostra uma asa de abelha.  Todos são semelhantes em forma geral.  No entanto, a asa do pássaro e a asa do morcego são feitas de ossos homólogos semelhantes na aparência.  A asa de abelha é feita de um material membranoso fino, em vez de osso.
A asa de uma abelha é semelhante em forma a uma asa de pássaro e uma asa de morcego e serve a mesma função (vôo). O pássaro e as asas do morcego são estruturas homólogas. No entanto, a asa da abelha tem uma estrutura diferente (é feita de um exoesqueleto quitinoso, não um endosqueleto ósseo) e de origem embrionária. Os tipos de asa de abelha e pássaro ou morcego ilustram uma analogia – estruturas semelhantes que não compartilham uma história evolutiva. (creditar uma foto: modificação do trabalho pelo US BLM; crédito b: modificação do trabalho por Steve Hillebrand, USFWS; crédito c: modificação do trabalho por Jon Sullivan)

Comparações Moleculares

Com o avanço da tecnologia do DNA, a área de sistemática molecular, que descreve o uso de informações em nível molecular, incluindo sequenciamento de DNA, floresceu. A nova análise de caracteres moleculares não apenas confirma muitas classificações anteriores, mas também revela erros previamente cometidos. 

Os caracteres moleculares podem incluir diferenças na sequência de aminoácidos de uma proteína, diferenças na sequência nucleotídica individual de um gene ou diferenças nos arranjos dos genes. Filogenias baseadas em caracteres moleculares assumem que, quanto mais semelhantes forem as sequências em dois organismos, mais estreitamente relacionadas elas são. 

Genes diferentes mudam evolutivamente a taxas diferentes e isso afeta o nível em que eles são úteis na identificação de relacionamentos. Sequências em rápida evolução são úteis para determinar as relações entre espécies intimamente relacionadas. 

Sequências de evolução mais lenta são úteis para determinar as relações entre espécies distantemente relacionadas. Para determinar as relações entre espécies muito diferentes, como Eukarya e Archaea, os genes usados ​​devem ser genes muito antigos, de evolução lenta, que estão presentes em ambos os grupos, como os genes para o RNA ribossômico. Comparar árvores filogenéticas usando sequências diferentes e achá-las semelhantes ajuda a construir confiança nas relações inferidas.

Às vezes, dois segmentos de DNA em organismos distantemente relacionados compartilham aleatoriamente uma alta porcentagem de bases nos mesmos locais, fazendo com que esses organismos apareçam intimamente relacionados quando não estão. 

Por exemplo, a mosca da fruta compartilha 60% de seu DNA com humanos. 2 Nessa situação, algoritmos estatísticos baseados em computador foram desenvolvidos para ajudar a identificar as relações reais e, em última análise, o uso acoplado de informações morfológicas e moleculares é mais eficaz na determinação da filogenia.

Por que a filogenia importa?Além de melhorar nossa compreensão da história evolutiva das espécies, nossa própria análise filogenética inclui inúmeras aplicações práticas. Duas dessas aplicações incluem o entendimento da evolução e transmissão da doença e a tomada de decisões sobre os esforços de conservação.
Um estudo de 2010 3 de MRSA ( Staphylococcus aureus resistente à meticilina), uma bactéria patogênica resistente a antibióticos, traçou a origem e disseminação da cepa ao longo dos últimos 40 anos. O estudo descobriu o tempo e os padrões em que a cepa resistente se deslocou de seu ponto de origem na Europa para os centros de infecção e evolução na América do Sul, Ásia, América do Norte e Australásia. 

O estudo sugeriu que as introduções das bactérias a novas populações ocorriam muito poucas vezes, talvez apenas uma vez, e depois se espalhavam a partir desse número limitado de indivíduos. Isto está em contraste com a possibilidade de muitos indivíduos terem transportado as bactérias de um lugar para outro. 

Esse resultado sugere que as autoridades de saúde pública devem se concentrar em identificar rapidamente os contatos de indivíduos infectados com uma nova cepa de bactérias para controlar sua disseminação.

Uma segunda área de utilidade para a análise filogenética está na conservação. Os biólogos argumentam que é importante proteger as espécies através de uma árvore filogenética, em vez de apenas as de um ramo da árvore. Isso preservará mais a variação produzida pela evolução. 

Por exemplo, os esforços de conservação devem se concentrar em uma única espécie sem espécies irmãs em vez de outras espécies que tenham um grupo de espécies irmãs próximas que recentemente evoluíram. Se a única espécie evolutivamente distinta for extinta, uma quantidade desproporcional de variação da árvore será perdida em comparação com uma espécie no grupo de espécies intimamente relacionadas. 

Um estudo publicado em 2007 fez recomendações para a conservação de espécies de mamíferos em todo o mundo com base em quão evolutivamente distintos e em risco de extinção eles são. O estudo descobriu que suas recomendações diferiam das prioridades baseadas simplesmente no nível de ameaça de extinção para a espécie. 

O estudo recomendou proteger alguns grandes mamíferos ameaçados e valorizados, como os orangotangos, os pandas gigantes e menores, e os elefantes africanos e asiáticos. Mas eles também descobriram que algumas espécies muito menos conhecidas devem ser protegidas com base em quão distintas evolutivas elas são. 

Estes incluem um número de roedores, morcegos, musaranhos e ouriços. Além disso, existem algumas espécies criticamente ameaçadas que não classificaram como muito importantes na distinção evolutiva, incluindo espécies de ratos e gerbos de cervo. Embora muitos critérios afetem as decisões de conservação,

Construindo Árvores Filogenéticas

Como os cientistas constroem árvores filogenéticas? Atualmente, o método mais aceito para a construção de árvores filogenéticas é um método chamado cladística . Esse método classifica os organismos em clados , grupos de organismos que estão mais intimamente relacionados entre si e com o ancestral do qual eles descenderam. 

Por exemplo, na Figura , todos os organismos da região sombreada evoluíram de um único ancestral que possuía ovos amnióticos. Consequentemente, todos esses organismos também têm ovos amnióticos e formam um único clado, também chamado de grupo monofilético . Os clades devem incluir as espécies ancestrais e todos os descendentes de um ponto de ramificação.

CONEXÃO VISUAL
A ilustração mostra o clado Vertebrata em forma de V, que inclui lancetes, lampreia, peixes, lagartos, coelhos e humanos.  Lancelets estão na ponta esquerda do V, e os humanos estão na ponta direita.  Mais quatro linhas são desenhadas paralelamente à linha de lancetes;  cada uma dessas linhas começa mais acima no braço direito do V do que no próximo.  No final de cada linha, da esquerda para a direita, estão as lampreias, os peixes, os lagartos e os coelhos.  Lagartos, coelhos e humanos, que formam um pequeno V aninhado no canto superior direito do Vertebrata V, estão no clado Amniota.
Lagartos, coelhos e humanos descendem de um ancestral comum em que o ovo amniótico evoluiu. Assim, lagartos, coelhos e humanos pertencem ao clado Amniota. Vertebrata é um clado maior que também inclui peixe e lampreia.

Quais animais desta figura pertencem a um clado que inclui animais com pêlos? Qual evoluiu primeiro: cabelo ou o ovo amniótico?

Os clades podem variar em tamanho dependendo de qual ponto de ramificação está sendo referenciado. O fator importante é que todos os organismos do grupo clade ou monofilético derivam de um único ponto da árvore. Isso pode ser lembrado porque o monofilético se divide em “mono”, significando um, e “filílico”, significando relacionamento evolucionário.

Características compartilhadas

A cladística repousa em três suposições. A primeira é que as coisas vivas são relacionadas pela descendência de um ancestral comum, que é uma suposição geral da evolução. A segunda é que a especiação ocorre por divisões de uma espécie em duas, nunca mais que duas de cada vez, e essencialmente em um ponto no tempo. Isso é um tanto controverso, mas é aceitável para a maioria dos biólogos como uma simplificação. 

A terceira suposição é que as características mudam o suficiente ao longo do tempo para serem consideradas em um estado diferente. Também se assume que é possível identificar a direção real da mudança para um estado. 

Em outras palavras, presumimos que um ovo amniótico é um estado de caráter posterior do que ovos não amnióticos. Isso é chamado de polaridade da mudança de caractere. Sabemos disso por referência a um grupo fora do clado: por exemplo, os insetos têm ovos não amnióticos; assim sendo, este é o estado de caráter mais antigo ou ancestral.

Um grupo interno (lagarto, coelho e humano em nosso exemplo) é o grupo de táxons que está sendo analisado. Um grupo externo (lancelet, lampreia e peixe em nosso exemplo) é uma espécie ou grupo de espécies que divergiram antes da linhagem contendo o (s) grupo (s) de interesse. 

 

Ao comparar os membros do grupo entre si e com os membros do grupo externo, podemos determinar quais características são modificações evolutivas que determinam os pontos de ramificação da filogenia do grupo interno. Lampreia e peixe em nosso exemplo) é uma espécie ou grupo de espécies que divergiram antes da linhagem contendo o (s) grupo (s) de interesse. 

Se uma característica é encontrada em todos os membros de um grupo, é um caracter ancestral compartilhado porque não houve mudança na característica durante a descida de cada um dos membros do clado. 

Embora esses traços pareçam interessantes porque eles unificam o clado, em cladística eles são considerados inúteis quando estamos tentando determinar as relações dos membros do clado porque cada membro é o mesmo. Em contraste, considere a característica de ovo amniótico da Figura

Apenas alguns dos organismos têm esse traço e, para aqueles que o fazem, é chamado de caráter derivado compartilhado.porque esse traço mudou em algum momento durante a descida. Esse personagem nos fala sobre as relações entre os membros do clado; ela nos diz que os lagartos, coelhos e humanos se agrupam mais de perto do que qualquer um desses organismos com peixes, lampreias e lancetes.

Um aspecto às vezes confuso de caracteres “ancestrais” e “derivados” é que esses termos são relativos. O mesmo traço pode ser ancestral ou derivado dependendo do diagrama sendo usado e dos organismos sendo comparados. Os cientistas consideram esses termos úteis quando distinguem clados durante a construção de árvores filogenéticas, mas é importante lembrar que o significado deles depende do contexto.

Escolhendo os relacionamentos certos

Construir uma árvore filogenética, ou cladograma, a partir dos dados dos personagens é uma tarefa monumental que geralmente é deixada para um computador. O computador desenha uma árvore tal que todos os clades compartilham a mesma lista de caracteres derivados. 

Mas há outras decisões a serem tomadas, por exemplo, e se uma presença de espécie em um clade for suportada por todos os caracteres derivados compartilhados para esse clade, exceto um? Uma conclusão é que a característica evoluiu no ancestral, mas depois mudou de volta nessa espécie. 

Também um estado de caráter que aparece em dois clades deve ser assumido como tendo evoluído independentemente naqueles clades. Essas inconsistências são comuns em árvores extraídas de dados de caracteres e complicam o processo de tomada de decisão sobre qual árvore representa mais de perto as relações reais entre os táxons.

Para auxiliar na tremenda tarefa de escolher a melhor árvore, os cientistas geralmente usam um conceito chamado de máxima parcimônia , o que significa que os eventos ocorreram da maneira mais simples e óbvia. Isso significa que a “melhor” árvore é aquela com o menor número de reversões de caracteres, o menor número de mudanças de caracteres independentes e o menor número de mudanças de caracteres em toda a árvore. 

Os programas de computador pesquisam através de todas as árvores possíveis para encontrar o pequeno número de árvores com os caminhos evolutivos mais simples. Começando com todos os traços homólogos em um grupo de organismos, os cientistas podem determinar a ordem dos eventos evolutivos dos quais ocorreram esses traços, que é o mais óbvio e simples.

Essas ferramentas e conceitos são apenas algumas das estratégias que os cientistas usam para lidar com a tarefa de revelar a história evolutiva da vida na Terra. Recentemente, novas tecnologias descobriram descobertas surpreendentes com relacionamentos inesperados, como o fato de as pessoas parecerem estar mais relacionadas aos fungos do que os fungos às plantas. Soa inacreditável? À medida que as informações sobre as sequências de DNA crescem, os cientistas se aproximarão do mapeamento da história evolutiva de toda a vida na Terra.

Resumo

Para construir árvores filogenéticas, os cientistas devem coletar informações de caráter que lhes permitam fazer conexões evolutivas entre organismos. Usando dados morfológicos e moleculares, os cientistas trabalham para identificar características e genes homólogos.

Semelhanças entre organismos podem se originar da história evolutiva compartilhada (homologias) ou de caminhos evolutivos separados (analogias). Depois que informações homologas são identificadas, os cientistas usam cladísticas para organizar esses eventos como um meio de determinar um cronograma evolucionário.

Os cientistas aplicam o conceito de parcimônia máxima, que afirma que a ordem mais provável de eventos é provavelmente o caminho mais curto mais simples. Para eventos evolutivos, este seria o caminho com o menor número de divergências maiores que se correlacionam com as evidências.

Glossário

estrutura análoga
um personagem encontrado em dois taxa que parece semelhante por causa da evolução convergente, não por causa da descendência de um ancestral comum
clade
um grupo de taxa com o mesmo conjunto de caracteres derivados compartilhados, incluindo uma espécie ancestral e todos os seus descendentes
cladística
um método usado para organizar traços homólogos para descrever filogenias usando descendente comum como o principal critério usado para classificar organismos
máxima parcimônia
aplicando a maneira mais simples e óbvia com o menor número de etapas
Sistemática Molecular
os métodos de utilização de evidências moleculares para identificar relações filogenéticas
grupo monofilético
(também, clade) organismos que compartilham um único ancestral
caráter ancestral compartilhado
um personagem em um ramo filogenético que é compartilhado por um clado particular
personagem derivado compartilhado
um personagem em uma árvore filogenética que é compartilhada apenas por um determinado clado de organismos
Referências:

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