Prática II a

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Atividade Presencial - Máscaras
A sistemática é a ciência que une a taxonomia, ou seja, a ciência da classificação dos organismos, com a filogenia, a ciência que traça a história evolutiva dos organismos. Assim, os sistematas fazem a taxonomia baseada na filogenia. Como a filogenia reflete a história evolutiva dos organismos e determina as relações de parentesco entre os animais ela é o traçado histórico das espécies de um determinado grupo, a divisão desse grupo em subgrupos deve ser baseada em história evolutiva também. Mais especificamente, as diferentes categorias da taxonomia, como gêneros, famílias, ordens, etc. devem conter espécies que têm uma maior proximidade evolutiva entre si do que com outras espécies de outras categorias.
Para conseguirmos estabelecer quais espécies são mais próximas evolutivamente precisamos estudar as características de todas as espécies em questão. A comparação entre as características das espécies é que vai nos mostrar a proximidade entre elas e, portanto, suas relações de parentesco. Em sistemátic, características são chamadas de caracteres. Os caracteres apresentam estados que nada mais são do que as variações que os caracteres apresentam nas espécies. É importante ressaltar que a escolha dos caracteres a serem usados para a sistemática de um grupo é de fundamental importância. 
Como nós não sabemos qual é a verdadeira hipótese de relacionamento filogenético entre as espécies podemos apenas inferir, e isto, muitas vezes, pode não se aproximar da história evolutiva real. É por isto que muitos métodos de reconstrução filogenética foram desenvolvidos. A intenção dos pesquisadores é poder chegar o mais próximo possível da história evolutiva verdadeira. Na escola fenética a classificação é feita a partir do maior número possível de características. Antes da taxonomia numérica (ou escola fenética), os pesquisadores achavam que poderiam escolher os caracteres para classificação. Isso significa que as classificações mudavam de uma hora para outra já que cada pesquisador que trabalhasse com um grupo, escolhia um grupo de características e seu sistema de classificação seria baseado nelas. No entanto, tanto a sistemática tradicional quanto a fenética apresentam uma grande falha: elas poderiam definir grupos de organismos com base em compartilhar ausência de caracteres.
Na escola cladista são feitas distinções de caracteres, e de seus estados. Os seguidores dessa escola levam em conta apenas aqueles estados de caracteres que são derivados (i.e., sinapomorfias) e são compartilhados por um ancestral e todos os seus descendentes. Estados de caracteres primitivos (i.e., plesiomorfias) são aqueles que estão presentes nos grupos ancestrais, ou mais antigos, e estes caracteres não são usados em sistemática filogenética (cladista). A sinapomorfia é um conceito extremamente importante, pois ela define grupamentos monofiléticos. Porém essas noções são relativas. Pois é, dentro de mamíferos (se estivermos estudando o grupo dos marsupiais, por exemplo) a presença de glândulas mamárias é uma plesiomorfia já que é compartilhada por todos os mamíferos. 
Da mesma forma, a presença de glândulas mamárias é uma sinapomorfia de mamíferos quando estamos comparando todos os vertebrados. Caracteres homoplásicos são aqueles que apareceram mais de uma vez na evolução do grupo. Estes caracteres são muito parecidos, mas não tem uma origem em comum, pois surgiram independentemente, como as asas das aves e dos morcegos e as nadadeiras de tubarões e golfinhos. Estas características têm uma mesma forma e muitas vezes a mesma função, mas tem origem diferente. As plesiomorfias são estados de caracteres primitivos e estão presentes nos grupos ancestrais ao seu grupo em estudo. Assim construímos uma filogenia, selecionando caracteres que apresentem variação (i.e., mais de um estado) e observando se estados apomorficos (derivados) estão presentes nos grupos de estudo. A comparação com o grupo externo serve para podermos determinar quais estados dos caracteres analisados são derivados ou primitivos (estão presentes nos grupos externos ao seu grupo). 
Nesta atividade presencial vamos poder praticar nosso conhecimento de sistemática filogenética e construir uma hipótese de relacionamento entre um grupo de espécies hipotéticas. Para isto, a turma deve se dividir em grupos e cada grupo lançará sua hipótese de relacionamento entre as espécies usando os métodos descritos a seguir. É muito importante que estejamos trabalhando com espécies não reais para que possamos perceber que a filogenia encontrada por cada grupo pode ser diferente dependendo das características escolhidas e seus estados. No mundo real existe mesmo uma história evolutiva correta a ser determinada, no entanto nunca saberemos com certeza qual é. Ao usarmos um grupo de espécies não reais, que não possuem uma história real, podemos sentir também como é determinar uma hipótese de relacionamento sem idéias pré-concebidas das inter-relações entre as espécies. 
Para construir uma filogenia, o primeiro passo é a escolha dos caracteres a serem analisados. Para isso devemos fazer uma Matriz de Caracteres. Essa matriz deve descrever o estado de cada caráter observado nos organismos. Para facilitar o entendimento vamos exemplificar a diferença entre o caráter e o estado de caráter. O caráter é o foco da variação. Por exemplo, caracteres são 1) cor da barba, 2) cor do olho, 3) quantidade de membros, 4) bigode, 5) forma da mancha nas costas, 6) quantidade de manchas nas costas, etc. Por outro lado, nos mesmos caracteres acima, os respectivos estados de caracteres são os estados (=tipos) que os caracteres podem assumir em um determinado indivíduo: 1) cor de barba preta, cor de barba branca, barba loura, barba ruiva, 2) olhos azuis, olhos pretos, olhos verdes, olhos castanhos, 3) 4 patas, 6 patas, 2 patas, 4) presença de bigode, ausência de bigode, 5) forma arredondada, forma oval, 6) 6 manchas, 10 manchas, e assim por diante. Os estados de caráter devem ser em número suficiente para englobar toda a variabilidade observada em toda a diversidade a ser estudada. Ou seja, todos os tipos que cada uma das espécies apresentar devem representar um único estado de caráter. 
Para facilitar, vamos observar atentamente o exemplo que segue. Neste caso, estamos observando organismos hipotéticos (irreais), os Camináculos . Esses organismos foram especialmente desenvolvidos para estudos teóricos de filogenia por Camin no início dos anos 80. 
1
2
3
4
5 
Cada um desses organismos é diferente, e podemos facilmente notar o que os torna diferentes. Por exemplo, sabemos que o organismo 3 possui manchas em seu dorso e o 2 não as possui. No intuito de facilitar essa comparação entre os organismos vamos fazer agora uma matriz de caracteres, com cada uma dessas características que diferenciam os organismos. 
1
2
3
4
5
A) Chifres
Não
Sim
Sim
Não
Não
B) Mãos
Não
Sim
Sim
Sim
Não
C) Manchas
Não
Não
Sim
Sim
Não
D) Cotovelo
Não
Sim
Sim
Não
Não
E) Unhas
Não
Sim
Sim
Não
Não
F) Pernas
1
2
2
1
2
Quanto mais características possuir a matriz mais precisa será a construção da árvore. Construída a matriz é hora de reconstruir a filogenia. Nesta atividade presencial nós iremos construir árvores filogenéticas através de dois algoritmos: 1) Parcimônia; e 2) UPGMA.
Começaremos então pelo método da parcimônia. Escolheremos apenas quatro organismos para analisarmos, com a finalidade de diminuir o universo de árvores possíveis. Devem ser construídas todas as árvores possíveis. O número de passos para cada característica deve ser contado em cada árvore. A(s) árvore(s) que apresentar(em) o menor número de passos no total deve(m) ser escolhida(s). Por exemplo pegaremos apenas as espécies 1, 2, 3 e 4. O universo de árvores possíveis é apresentado na figura 1.
Figura 1:
Analisaremos primeiro as características A, D, E e F. Observe que estas quatro características apontam para a mesma relação entre as espécies em questão, ou seja, estão presentes nas espécies 2 e 3, e não estão nas espécies4 e 1 (veja tabela). Por isso, podemos analisa-las ao mesmo tempo. IMPORTANTE: você só poderá analisar em conjunto características que indiquem a mesma relação entre as espécies!!!
Analisemos agora a característica B. Perceba que esta característica separa o organismo 1 dos demais. Chamamos esse tipo de característica de Singleton. Isso porque, como pode ser observado na figura 3, independentemente da posição do organismo 1 nas árvores, essa característica sempre corresponderá a um passo no ramo terminal desse organismo. Isso significa que independente da topologia, essa característica não alterará o número de passos na árvore, pois em todas as possibilidades o número de passos (= mutações necessárias para explicar a evolução da característica) relacionados a essa característica é sempre um passo. Como a parcimônia diferencia as árvores pelo número de passos, essa característica não será informativa para o método de parcimônia. 
Características como A, C, D, E, e F, que agrupam os organismos em dois grupos cada um deles contendo pelo menos dois representantes são chamadas de Informativas para Parcimônia. Quando o objetivo é a construção de uma árvore filogenética por parcimônia devemos nos preocupar em ter o máximo de características informativas possível. Pois, são essas características que irão alterar o número de passos nas diferentes topologias. A figura 4 mostra a análise da característica C. 
Figura 2: Análise das características A, D, E e F.
Figura 3: Análise da característica B
Figura 4: Análise da característica C
Para finalizar devemos escolher a(s) árvore(s) que apresenta(m) o menor número de passos. Para isso devemos somar o número de passos para cada característica em cada uma das árvores. Como resultado desse exemplo temos 5 árvores igualmente parcimoniosas (figura 5). Isso quer dizer que todas elas exigem o mesmo número de passos para explicar a evolução das características analisadas.
 Figura 5: Árvores mais parcimoniosas
Passemos agora para a construção da árvore pelo algoritmo de UPGMA. O primeiro passo nesse caso é calcular a Distância entre os organismos, tendo como base a nossa Matriz de Caracteres. Analisaremos agora todos os organismos (1 ao 5). O valor da Distância será calculado par-a-par, ou seja, para cada par de organismos, da seguinte forma:
analisadas
ticas
caracterís
de
Total
Diferenças
de
Número
Dessa forma, obteremos uma Matriz de Distância como a que segue:
1
2
3
4
5
1
_
0,83
1
0,33
0,17
2
_
0,17
0,83
0,67
3
_
0,67
0,83
4
_
0,5
5
_
O passo seguinte é unir em um grupo (Cluster) os organismos que apresentam o menor valor de distância entre si. Neste caso, são o 2 e 3.
Agora, o próximo passo é recalcular a matriz. Sabendo que 2 e 3 formam um cluster, então, a distância entre o cluster e os demais organismos será igual a média da distâncias par-a-par de 2 e 3. Por exemplo, a distancia do cluster 2/3 para o organismo 4 será:
· Distância entre 2 e 4 = 0,83
· Distância entre 3 e 4 = 0,67
75
,
0
2
67
,
0
83
,
0
=
+
A nova matriz será assim:
1/5
2/3
4
1/5
-
0,83
0,42
2/3
-
0,75
4
-
Dessa vez a menor distância une o Cluster 1/5 ao organismo 4. A nossa árvore então fica assim:
1
2
3
4
1
4
3
2
1
4
2
3
1
3
4
2
4
1
2
3
1
3
2
4
2
1
4
3
2
3
4
1
2
4
3
1
2
4
1
3
3
4
1
2
3
1
2
4
3
2
1
4
3
4
2
1
1
4
2
3
1(N)
2(S)
3(S)
4(N)
1
1(N)
3(S)
2(S)
4(N)
2
1(N)
4(N)
2(S)
3(S)
3
4(N)
1(N)
2(S)
3(S)
4
5
2(S)
1(N)
4(N)
3(S)
3(S)
4(N)
2(S)
1(N)
6
2(S)
3(S)
4(N)
1(N)
8
1(N)
3(S)
4(N)
2(S)
7
1(N)
4(N)
2(S)
3(S)
10
2(S)
4(N)
1(N)
3(S)
11
3(S)
2(S)
1(N)
4(N)
9
3(S)
1(N)
2(S)
4(N)
12
1(N)
4(N)
3(S)
2(S)
13
2(S)
4(N)
3(S)
1(N)
14
3(S)
4(N)
1(N)
2(S)
15
1(N)
2(S)
3(S)
4(S)
1(N)
4(S)
3(S)
2(S)
1(N)
4(S)
2(S)
3(S)
1(N)
3(S)
4(S)
2(S)
4(S)
1(N)
2(S)
3(S)
1(N)
3(S)
2(S)
4(S)
2(S)
1(N)
4(S)
3(S)
2(S)
3(S)
4(S)
1(N)
2(S)
4(S)
3(S)
1(N)
2(S)
4(S)
1(N)
3(S)
3(S)
4(S)
1(N)
2(S)
3(S)
1(N)
2(S)
4(S)
3(S)
2(S)
1(N)
4(S)
3(S)
4(S)
2(S)
1(N)
1(N)
4(S)
2(S)
3(S)
2
1
3
5
4
6
8
7
9
11
10
12
14
13
15
1(N)
2(N)
3(S)
4(S)
1(N)
4(S)
3(S)
2(N)
1(N)
4(S)
2(N)
3(S)
1(N)
3(S)
4(S)
2(N)
4(S)
1(N)
2(N)
3(S)
1(N)
3(S)
2(N)
4(S)
2(N)
1(N)
4(S)
3(S)
2(N)
3(S)
4(S)
1(N)
2(N)
4(S)
3(S)
1(N)
2(N)
4(S)
1(N)
3(S)
3(S)
4(S)
1(N)
2(N)
3(S)
1(N)
2(N)
4(S)
3(S)
2(N)
1(N)
4(S)
3(S)
4(S)
2(N)
1(N)
1(N)
4(S)
2(N)
3(S)
2
1
3
5
4
6
8
7
9
11
10
12
14
13
15
1
4
2
3
3
ADEF
B
C
C
2
3
4
1
8
ADEF
B
C
C
1
4
2
3
10
ADEF
B
C
C
1
4
3
2
13
ADEF
B
C
C
3
2
1
4
9
ADEF
B
C
C
2
3
1
5
2
3
1
5
4
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