Clasificación dos seres vivos: da morfología á secuenciación do ADN

2008/02/01 Etxebeste Aduriz, Egoitz - Elhuyar Zientzia Iturria: Elhuyar aldizkaria

• Biologia
• Eboluzioa
• Genetika

(Foto: N. G.W. de Kurz Rouse/Tree of Life Web Project)

a.C. Cara ao ano 350 Aristóteles fixo una clasificación dos seres vivos. Dividiunos en dous grupos: o reino animal e o das plantas. Tamén utilizou o termo especie. Con todo, a taxonomía real XVIII. Pódese dicir que naceu no século XX da man do sueco Lineo. Liño quixo clasificar plantas, animais e minerais creados por Deus.

Segundo as mentalidades do seu tempo, Deus creou as cousas cun plan ou orde. E parece que o obxectivo de Liña era atopar esa orde. Así, estudou as características morfológicas e creou una clasificación xerárquica tendo en conta semellanzas e diferenzas. No seu libro Species Plantarum describiu as especies vexetais, agrupando en xéneros especies similares --con características comúns– e, á súa vez, os xéneros en familias. Ademais, paira designar cada especie utilizou o nome binomial latino --Xénero especia-. Na actualidade, este tipo de nomes seguen sendo utilizados por científicos de todo o mundo paira chamar a unha especie da mesma maneira, e as bases da taxonomía actual son tamén as establecidas por Line.

Con todo, coa teoría da evolución de Darwin, a filosofía da clasificación dos seres cambiou. De feito, segundo a teoría da evolución, dunhas especies a outras xurdiron ao longo da historia da vida, de maneira que, máis que coñecer os plans de Deus, desde Darwin buscouse una clasificación que reflicta esta historia da vida --filogenia--.

A clasificación dos seres vivos adopta a forma dunha árbore chamada árbore filogenético. Nun dos extremos da árbore atópanse os antepasados ou antepasados de todos os seres vivos, e no outro extremo todas as especies actuais. Nesta árbore, as especies non se recollen en xénero só polas súas características similares, senón pola súa procedencia, e por iso teñen características similares.

Na pegada da morfología

Este catro animais son moluscos. Isto significa que as características morfológicas do catro xurdiron da evolución do mesmo antepasado.

macrophile; sarae; D. Burdick/NOAA; J. Petersen

As características morfológicas foron durante moito tempo as principais pegadas dos taxónimos paira poder construír a árbore da vida. Pero a clasificación dos seres por estas características non é una tarefa sinxela. Por exemplo, veremos a primeira ollada que os carafio e os babosos teñen características similares, ou chipirones, txokos e polbos. Pero paira ver que todos eles, a outro nivel, teñen o mesmo orixe, hai que mirar máis a fondo. Todos eles son moluscos porque teñen o mesmo modelo organizativo básico. É dicir, aínda que pareza mentira, as características dos carafio, os bazos, os chipirones, os polbos ou os mexillóns poden explicarse pola evolución das supostas características dun hipotético antepasado de todos os moluscos.

Paira chegar a este tipo de conclusións hai que analizar algo máis que as características que están á vista. Por exemplo, moitas veces atópanse pistas útiles nas primeiras fases de desenvolvemento dos seres vivos. Por exemplo, os nosos antepasados tiñan cola e nós tamén temos en estado embrionario. Ou os embriones das baleas, como o resto de mamíferos, primeiro desenvolven catro patas e logo case desaparecen.

Ademais, hai que ter moito coidado coas pegadas falsas. En moitos casos, ao longo da evolución, diversas especies obtiveron características similares por diferentes vías. Isto é o que se coñece como converxencia evolutiva, como son as ás de aves e morcegos, ou as estruturas en forma de aletas que os animais acuáticos han desenvolvido de forma diferente. Ás veces está claro que os seres de características similares non teñen relación, xa que teñen moitas outras características diferentes. Con todo, noutras ocasións, non é fácil saber si algunhas características teñen ou non o mesmo orixe, e si utilízanse paira construír filogenia, pódese pensar que grupos afastados entre si están cerca.

Pola contra, os seres morfológicamente simples, como os nematodos, ofrecen moi poucas pegadas. Este tipo de grupos causan grandes quebradizos de cabeza aos taxonómicos. E non digamos no caso dos microorganismos. Moitas veces é moi difícil clasificalas por características morfológicas.

Así, aínda que se traballou moito na construción da filogenia en base á morfología, ten as súas limitacións. E nalgúns puntos hai grandes dificultades paira avanzar só coa morfología.

Os animais alados desenvolveron as súas ás por diferentes vías.

De arquivo; Dr. Hemmert; De arquivo

Historia da vida no xenoma

Nos últimos 30 anos, as técnicas moleculares baseadas no ADN foron revolucionarias na clasificación dos seres vivos. En definitiva, os cambios na evolución están reflectidos no xenoma dos seres vivos, polo que a información contida no xenoma pode ser de gran utilidade paira o estudo da filogenia.

Filogenómica é o estudo da filogenia a partir de grandes cantidades de datos xenéticos. As técnicas de secuenciación automática de PCR e ADN, por exemplo, permiten amplificar e secuenciar moitos xenes de forma relativamente sinxela e rápida. Deste xeito, os xenéticos están a golpear e secuenciando o ADN. Xa han secuenciado xenomas completos dunhas mil especies e cada mes están a publicarse xenomas secuenciados de máis especies. E mediante a comparación das secuencias destes xenomas --ou dalgúns génes- constrúense filogenias moleculares.

Ao longo do tempo prodúcense mutacións ou cambios no xenoma. Estes cambios, ás veces, terán consecuencias decisivas e avanzarán ou non en función da selección natural. Pero outros moitos cambios non teñen consecuencias significativas. Por exemplo, nos xenes hai rexións que non codifican proteínas: intronas. Os cambios que se producen nestas zonas, na maioría dos casos, non afectan á selección, polo que se van acumulando ao longo da evolución. O mesmo ocorre co ADN mitocondrial, onde se acumulan moitos cambios, o ADN mitocondrial é moi utilizado na taxonomía molecular. Os grupos próximos entre si experimentarán cambios similares acumulados, polo que as súas secuencias de ADN serán moi similares.

As técnicas moleculares han permitido grandes avances nas clasificacións de microorganismos. O estudo da diversidade de bacterias realizado fai 10-15 anos mediante secuencias de ADN deu resultados sorprendentes. A toma de mostras de diferentes medios e a amplificación e secuenciación dos xenes do ARN ribosómico (SSU) permitiron observar que a cantidade de secuencias de lume variada era entre 20 e 100 veces superior ao observado até entón en estudos baseados en culturas. Ademais, aínda que algunhas destas secuencias eran similares ás das bacterias coñecidas dos cultivados nas culturas, outras eran bastante diferentes paira suxerir diferentes liñas evolutivas sen representantes coñecidos.

As técnicas moleculares han cobrado gran importancia na taxonomía dos microorganismos.

PLATAFORMA

E, a pesar das controversias que xera, no resto dos seres vivos cobra cada vez maior importancia a taxonomía baseada no ADN. Ten os seus problemas, pero tamén as súas vantaxes fronte á taxonomía clásica. Por unha banda, son moi útiles paira aclarar moitas cousas que non poden ser aclaradas con características morfológicas, e por outro, moito máis rápido que realizar estudos morfológicos.

A pesar do debate, parece que na taxonomía a xenética adiantarase á morfología e, en diante, nas secuencias de ADN poderemos ler moitas pasaxes sobre a historia da vida.

Raúl Bonal: "os debates xorden porque os taxónomos clásicos viron a filogenia molecular como una ameaza"

No Departamento de Entomología do Natural History Museum de Londres, un equipo de investigadores dirixido por Alfried Vogler investiga a filogenia dos escaravellos baseada na secuenciación do ADN. De feito, publicaron recentemente unha árbore filogenético elaborado con 1.900 especies de escaravello. O Dr. Raúl Bonal é un investigador deste equipo que respondeu con moi boa vontade ás nosas preguntas.

Parece que as técnicas moleculares están a fortalecer a taxonomía. Iso é innegable, non?

Si, é certo, as técnicas moleculares están a revolucionar a taxonomía. Grazas ás técnicas desenvolvidas nos últimos anos, na actualidade é relativamente fácil secuenciar o ADN. E comparando os cambios que se produciron ao longo da evolución en diferentes xenes, pódense clasificar os seres.

As técnicas moleculares permiten resolver en gran medida algúns problemas da taxonomía clásica, como a converxencia evolutiva. Con todo, as filogenias moleculares tamén presentan problemas similares: ás veces un cambio producido por unha mutación pode ser restaurado por outra, e nestes casos non detectaremos ningún cambio, onde en realidade existiron dous cambios.

Doutra banda, é posible coñecer a biodiversidade dun lugar de forma rápida, secuenciando e clasificando o ADN dos seres atopados. Ademais, é moi útil paira identificar algunhas das fases do ciclo de vida dalgúns seres. Por exemplo, as larvas de moitos insectos carecen de clave de identificación e poden identificarse comparando o seu ADN co ADN dos adultos identificados. O mesmo con especies distintas (crípticas) que non poden separarse morfológicamente, ou que, por ser morfológicamente diferentes, son a mesma especie. Nestes casos é moi útil a secuenciación de ADN.

(Foto: S. Chozas)

Pero a taxonomía molecular xera grandes controversias...

Creo que as controversias se deben, máis que a problemas técnicos, a que os taxónomos clásicos viron a filogenia molecular como una ameaza. Por exemplo, un taxónomo clásico, experto nun grupo de insectos, -cuxo traballo hai que respectar e estimar- non gusta que científicos doutro campo, como o xenético, empecen a falar de novas especies. Senten que están a invadir o seu.

Ademais, a aparición de novas especies é a gran velocidade e moitas veces utilízanse en filogenias sen dar nome nin describilas. Iso non gusta nada aos clásicos. Con todo, o número de novas especies que se concentran nalgúns lugares do planeta é tan elevado que é moi difícil realizar una descrición morfológica previa á construción da filogenia.

En definitiva, creo que é un enfrontamento entre escolas e profesionais diferentes.

Uno dos principais problemas da taxonomía foi sempre o problema da correcta definición da especie. A xenética solucionará este problema?

En leste cromatograma de ADN pódense comparar as secuencias de ADN de seis individuos.

(Foto: Molecular Systematics Group, Dept. Entomology, NHM)

Definir que é una especie é moi difícil. A definición clásica 'dura' di que non se poden cruzar as diferentes especies e que si se cruzan os seguintes híbridos deben ser estériles. Pero na realidade isto non sempre se cumpre. Un exemplo son as famosas txontas de Darwin, que con todo considéranse especies diferentes. Por iso, a especie defínese a partir dun conxunto de poboacións que comparten unhas características e que interactúan espazo-temporalmente.

As filogenias moleculares teñen en conta esta última definición. Na árbore filogenético, realizado mediante a comparación de secuencias de ADN, pódese calcular, mediante cálculos estatísticos e modelos de evolución molecular, onde comeza a especiación. É dicir, pódese debuxar una liña que corta as ramas da árbore a certa altura, e os individuos que quedan aí xuntos pertencen á mesma especie. Pola contra, as ramas que se forman a partir de aí indican a diversidade xenética dunha mesma especie.

O concepto de especie é discutible en bioloxía, pero a eficacia desta forma de determinación de especies mediante secuencias de ADN está demostrada. Nos casos nos que se realizou a proba con especies coñecidas, obtivéronse resultados moi similares aos obtidos de forma clásica.

As clasificacións baseadas no ADN deixarán de lado a morfología?

Quizais porque penso que teñen que chegar a falarnos ou eu creo que non. É certo que a xenética é moito máis rápida. Moita xente non se dá conta de cantas especies hai por descubrir. Nos insectos, por exemplo, estímase que poden existir dez millóns de especies e non se coñece ningunha décima. Neste sentido, a morfología non pode competir coa xenética.

Os escaravellos do xénero Curculia perforan e pon os seus ovos nas landras.

(Foto: R. Bonal)

Pero non creo que haxa que abandonar a morfología. A descrición morfológica das especies é importante. Tamén poden realizarse filogenias que combinan características moleculares e morfológicas. Ademais, aínda que a secuenciación de ADN está cada vez máis ao alcance de científicos, non está ao alcance dos naturalistas afeccionados, polo que é bo ter claves morfológicas. Ademais, o coñecemento que teñen os taxónomos clásicos non se pode perder. E aquí quero denunciar que se está perdendo porque en moitos museos non salguen novas prazas paira este tipo de profesionais.

Que opinas sobre o código de barras xenético?

É una idea interesante e atractiva, case como se fai nos supermercados: pasar un ser por un detector e dicir que especie é o detector...

Como se expuxo ao principio, ten varios problemas. A idea era secuenciar un mesmo xene paira todas as especies e así utilizar una secuencia determinada como identificadores de cada especie. Pero as especies defínense segundo a clasificación clásica. Desta forma mantéñense os problemas da taxonomía morfológica e cométense os mesmos erros. Ademais, paira especies crípticas que non se diferencian morfológicamente pero que teñen una secuencia xenética diferente, que criterio hai que tomar?

Creo que é máis adecuado facer a filogenia en base ao ADN, e así utilizar a clasificación realizada paira fixar o código de barras que corresponde a cada especie.

Os estudos de ADN son moi útiles paira identificar as larvas de moitos insectos.

(Foto: Entomart)

Ti traballas con coleópteros. É o grupo máis grande de insectos cunha gran diversidade morfológica. Que vantaxes ofrecen as técnicas moleculares no caso dos coleópteros?

Polas características que menciona, o grupo de coleópteros é un dos grupos que máis destaca polas vantaxes antes mencionadas. Cun número tan grande de especies, moitas non se coñecen ou se coñecen mal, e na taxonomía clásica hai moitas lagoas. Nas rexións tropicais este descoñecemento é moi evidente. Ademais, paira moitas larvas non hai claves de identificación (nalgúns casos as larvas nunca se recolleron). Todos estes problemas poden resolverse grazas á taxonomía molecular.

Que investigades exactamente?

No noso grupo hai xente que traballa con diferentes grupos de coleópteros: escaravellos máis coprofos, granívoros, acuáticos... Construímos árbores filogenéticos a partir do ADN, determinamos especies... E, ademais de investigar a árbore, tamén se investigan os patróns evolutivos dos xenes.

Doutra banda, a partir da filogenia, tamén investigamos a evolución de certas características morfológicas, ecolóxicas, estratexias reprodutivas, etc. Eu mesmo estou a investigar a evolución do tamaño corporal do xénero Curculio. As larvas destes insectos son parásitos das landras. O primeiro paso consiste en construír una filogenia molecular e o seguinte, analizar o modelo de evolución que seguiu o tamaño corporal en función desta filogenia.

Precisamente, a través destes estudos puiden comprobar algunhas das vantaxes da taxonomía molecular. En Europa hai cinco especies do xénero Curculio, ben coñecidas. En Estados Unidos hai máis especies, pero están ben estudadas. En Centroamérica a cuestión é moi diferente. Nunha mostraxe realizada en México durante un mes, atopáronse 20 especies, segundo estudos de ADN, e estimamos que tendo en conta as zonas que faltan paira muestrear, poden ser centos. Se tivésemos que facer este estudo de diversidade desde a morfología, necesitariamos moito tempo. Ademais, mediante o ADN podemos introducir larvas na filogenia que son moito máis fáciles de recoller.