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Conceito de Espécies Filogenéticas

Caminculas vivas e fósseis

FUNDAMENTAÇÃO

 

O Homem classifica quase todo, incluindo ele mesmo.  Esse comportamento pode ser útil.  Por exemplo, ao falar sobre cerveja, uma pessoa pode descrever a garrafa e o processo de fermentação. Uma pessoa com conhecimento que não viu a cerveja terá uma boa ideais dela pelas características compartidas com outras cervejas conhecidas.  O Homem classifica as plantas e animais há séculos, muito mais tempo que classifica a cerveja, mas o principio é o mesmo.  Um dos problemas centrais na biologia é a classificação de organismos a base de características compartidas.  Por exemplo, os biólogos classificam todos os organismos sem  a coluna cervical como "invertebrados”.A classificação de organismos dessa forma permita o biólogo ordenar uma diversidade imensa de espécies.  (Provavelmente existem vários milhões de espécies – das quais aproxidamente um milhão já foram descritas e classificadas.)  O campo da biologia dedicado à classificação dos organismos é a  taxonomia [Gk. taxis, arranjo, coloca em ordem + nomos, lei].

 

O sistema taxonômico moderno foi proposto por  Carolus Linnaeus (1707‑1778).  É um sistema hierárquico porque os organismos são agrupados em categorias mais e mais inclusivas desde a espécie até o reino. A Tabela 1 ilustra a classificação de quatro espécies usando esse sistema taxonômico

No século 18 a maioria dos cientistas acreditaram que a Terra e todos os seus organismos foram criados por Deus no ano 4004 BC.  Sob esse ponto de vista, o sistema Linaena de classificação era uma maneira simples de catalogar a diversidade da vida.  Alguns cientistas arriscaram mais e sugerem que a taxonomia pode dar entendimento à mente de Deus ("Teologia Natural").

 

Essa visão da taxonomia mudou dramaticamente quando Charles Darwin publicou On The Origin of Species in 1859.  Nesse texto, Darwin apresenta evidencia convincente de que a vida evoluiu pelo processo da seleção natural.  As evidencias resumidas por Darwin, e milhares de outros biólogos desde então, indicam que todos os  organismos tem descendência de um ancestral comum.  Durante os 3,5 bilhões de anos que apareceram os primeiros organismos, a vida se diversificou para atingir os padrões presentes hoje.

 

Como uma conseqüência do trabalho de Darwin, agora reconhecemos que as classificações taxonômicas realmente são reflexões da historia evolutiva.  Por exemplo, Linaeuo colocou o Homem e os lobos na classe Mammalia dentro do filo Cordata porque compartilham características  (coluna cervical, pelo homeotérmica ...).  Agora sabemos que essa similaridade não é uma mera coincidência porque ambas as espécies herdaram essas características do mesmo ancestral comum.  Por isso, quanto maior a similaridade entre duas espécies, quanto mais recentemente elas divergiram do ancestral comum.  Quando falamos que o Homem e o lobo tem mais parentesco entre eles do que com a saúva, implica que o Homem e o lobo tem um ancestral comum não compartido com a saúva.

 

Outra maneira de apresentar a relação evolutiva entre os organismos é em forma de uma árvore filogenética (Gk. phylon, estoque, tribo + genus, nascimento, origem):

 

O eixo vertical nessa figura representa o tempo.  O ponto no qual as duas linhas se separam indica quando o linagem divergiu.  For example, we see that mammals diverged from reptiles about 150 million years ago.  O ancestral comum mais recente  compartilhado pelos mamíferos e répteis está indicado pelo ponto A.  O eixo horizontal representa, de forma geral, a quantidade de divergência que ocurriu entre os grupos distintos:  quanto maior a distancia, menos similares serão em aparencia.  Porque compartilham um ancestral comum relativamente recente, as espécies dentro do mesmo grupo taxonômico (como a classe Mammalia) tendem ser mais próximos no topo da árvore do que aos outros membros de outros grupos.

 

Vários tipos de evidencias podem ajudar determinar a relação evolutiva entre os organismos seja na forma de uma classificação taxonômica (Tabela 1) ou numa árvore filogenética (Figura 1).  Uma maneira e comparar as espécies vivas.  Quanto maior as diferencias entre eles, quanto mais tempo que sua divergência ocorreu.  Porém, existem problemas com essa maneira.  Por exemplo, algumas espécies são parecidas porque evoluíram independentemente estruturas similares em resposta a ambientes ou formas de vida similares, e não porque evoluíram de um ancestral comum recente.  Essa evolução convergente resulta porque espécies sem parentesco convergem em aparência (viram mais similares).  Exemplos da evolução convergente incluem as asas das aves, morcegos e insetos, ou a forma aerodinâmica de baleias e peixes.  A primeira vista, pode parecer que as baleias são derivadas dos peixes.  Ao examinar mais de fundo, fica evidente que a similaridade é superficial, resultante do fato que os peixes e as baleias tem se adaptados ao mesmo ambiente.  A presença de pêlo, a capacidade de lactar e a homeotermia demonstram claramente que as baleias são mamíferos.  Assim, o taxônomo precisa avaliar o conjunto intero de características, e não somente uma.

 

O registro fóssil pode ser útil na construção de árvores filogenéticas.  Por exemplo, os ursos por muito tempo formaram um grupo distinto dentro da ordem  Carnivora. Fosseis recentemente descobertos, porém, demonstram que os ursos divergiram de Canidae (lobos e cachorros.) recentemente.  O uso de fosseis, porém tem seus problemas.  O problema principal é que o registro fóssil não é completo.  Esse problema fica pior para alguns organismos.  Por exemplo, os organismos com carapaças ou esqueletos ósseos tem mais probabilidade de serem preservados do que os organismos sem partes corporais duras.

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Esse tarefa ajudara entender porque a taxonomia de aves mudou tanto nos últimos anos e as guias de identificaão não são mais atuais.  Isso é porque agora sabemos que as aves são oriundas dos dinossauros.

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Os Caminalculos são animais imaginários inventados pelo biólogo evolutivo  Joseph Camin.  Esses são organismos ideais para aprender a classificação taxonômica e a evolução. Neste laboratório, você classificará 14  espécies "vivas" em gênero, família …. Depois você construirá uma árvore evolutiva dos  Caminalculos usando mais 57 espécies "fosseis". Assim, você entenderá como as formas modernas de classificação tentam refletir a historia evolutiva. 

 

Os desenhos dos Caminalculos são protegidos pela revista Systematic Biology and Robert R. Sokal. Aqui são usados com autorização.

 

Aqui usaremos somente um sub-conjunto de todos os 77 Caminalculos.  Se usarmos o conjunto intero, o laboratório seria comprido demais.  Por isso, a árvore filogenética usada aqui foi “podada”  da versão original; As ramificações que não são representadas por esse sub-conunto de Caminalculos foram retiradas digitalmente.  Para o conjunto inteiro dos Caminalculos e a árvore filogenética completa pode ser encontrada em Sokal, R.R. 1983. A phylogenetic analysis of the Caminalcules. I. The data base.   Systematic Zoology 323:159-184).

caminculas.gif

A Classificação e Evolução de Organismos Artificiais

 

Nesse laboratório, você desenvolverá uma classificação taxonômica e construirá uma árvore filogenética para um grupo de organismos imaginários chamados Caminalculos em homenagem ao seu criador, o taxonomo Joseph Camin.  No fim desse documento você encontrará desenhos das 14 espécies "vivas" e das 58 espécies "fosseis" que você usará.  Examine os desenhos e observar a variedade de apêndices, forma de carapaça, padrão de coloração, e outras. Cada espécie se identifica por um número em vez de um nome.  Para os  Caminalculos fosseis também existe um número em aspas indicando a idade geológica de cada em milhões de anos.  A maioria dos Caminalculos fosseis são extintos, mas alguns ainda vivem (como a espécie 24  encontrada nas formas vivas alem de um fóssil de dois milhões de anos).

 

O propósito desse laboratório é ilustrar os princípios de classificação e alguns dos processos da evolução (evolução convergente).  Você usará organismos artificiais assim sem o preconceito prévio de como devem ser classificados.  Isso implica que você terá que lidar com problemas como a evolução convergente da mesma forma de um taxonomo.  Com organismos verdadeiros, você provavelmente já tem alguma idéia de como devem ser classificado o que esse laboratório tenta eliminar.

 

Parte 1: A Classificação Taxonômica dos Caminalculos Vivos

 

Examine com cuidado as quatorze espécies vivas e observe tantas similaridades e diferencias entre elas.  Cria uma classificação hierárquica dessas espécies como na Tabela 2.  Em vez de usar letras (A, B,...), como nesse exemplo, use o número que corresponde a cada espécie de  Caminalculos.   Lembre que a Tabela 2 é somente um exemplo hipotético.  Sua classificação deve ser muito diferente.

FILO CAMINALCULAE

CLASSE 1

CLASSE 2

ORDEM 1

ORDEM 2

ORDEM 3

FAMILIA 1

FAMILIA 2

FAMILIA 3

FAMILIA 3

GENERO 1

GENERO  2

GENERO  3

GENERO  4

GENERO  5

GENERO  6

A

G

H

D

B

J

L

E

K

C

F

I

 

 

                                                                     Tavela 2

 

O primeiro passo dessa prática é decidir quais espécies pertencem ao mesmo gênero. As espécies dentro do mesmo gênero compartilham características não encontradas em quaisquers outros generos.  Os Caminalculos numerados 19 e 20 são bom exemplos porque claramente são mais similares entre elas do que com qualquer outra espécie viva e devem ser classificadas no mesmo genero.  Use o mesmo procedimento para combinar os gêneros em famílias.  De novo, os gêneros diferentes dentro de uma família devem ser mais similares do que gêneros em outras familias.  Os gêneros diferentes dentro de uma família devem ser mais similares entre eles do que com gêneros em outras familias. As famílias podem ser combinadas em ordens, as ordens em classes, e ad finitum.  Dependendo de sua organização das espécies, você pode somente chegar ao nível de ordem ou classe.  Você não necessiaramente precisa chegar ao nível de Reino ou Filo.

 

Parte 2.  O Método Comparativo de Análise Filogenética

 

Construe uma árvore filogenética baseada somente na avaliação das 14 espécies vivas.  Essa árvore deve demonstrar sua classificação taxonomica.  Por exemplo, se você coloca as espécies A e G no mesmo gênero você fez porque aparentaram ter um ancestral comum (x).  Essa parte da árvore sería como no diagrama ao lado.

 

Quando há três ou mais espécies num gênero, precisamos decidir qual par compartilham um ancestral comum não compartilhado pelas outras espécies.  Essa diagrama indica que as espécies E e K tem maior parentesco do que com C.  Nossa hipótese é de que E e K têm um ancestral comum (y) que não é compartilhada por  C.  Similarmente, dois gêneros são mais parecidos entre eles de que com os outros gêneros e assim temos a premissa que tem um ancestral comum.  Assim, ainda na ausência de um registro fóssil é possível desenvolver uma árvore filogenética.  Podemos ainda inferir a aparência do ancestral comum  y.

 

Parte 3. A Filogenia dos Caminalculos

 

Usando uma cartolina, construa uma árvore filogenética dos Caminalculos.  Use uma regra métrica para formar 20 linhas igualmente espaçados na cartolina.  Cada linha indicará o intervalo de um milhão de anos.  Marque cada linha de forma que a linha na parte baixa da cartolina representa a idade de 19 milhões de anos e a linha no topo da cartolina representa o presente (0 anos).

 

Recorte os Caminalculos (includindo as espécies vivas).  Coloque os recortes em pilhas segundo sua idade (o número em aspas).  Começando com os fosseis mais velhos, coloque os e Caminalculos em forma de sua relação evolutiva.  A Figura 2 demostra como começar.

 

clique aqui para baixar os Caminalculos



Dicas

 

a.     Use linhas fracas de pincel para indicar o caminho da evolução.  Somente após a avaliação de sua árvore pelo professor que você deve fazer as linhas mais fortes.

 

b.     A ramificação somente deve ter duas linhas de uma vez:

                                   Assim                                                Não Assim

c.     Algumas formas vivas também se encontram no registro fóssil.

 

d.     Existem falhas nos registros dos fosseis de algumas linhagens.   Alem disso, algumas espécies foram extintas sem deixar descendentes.

 

e.     Os Caminalculos receberam números aleatoriamente, e assim os números não proporcionaram dicas sobre as relações evolutivas.

 

f.      Somente existe uma árvore filogenética correta para essa prática.  Isso ocorre pelo método de derivição dos Caminalculos por  Joseph Camin.  Ele começou com a forma mais primitiva (número 73) e depois a modificou gradualmente usando um processo que imita a evolução dos organismos reais.  Após completar sua filogenia, compara-a com a original de Camin.