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CIÊNCIAS BIOLÓGICAS AGRONOMIA ECOLOGIA OCEANOGRAFIA MEDICINA VETERINÁRIA ZOOTECNIAENGENHARIA FLORESTAL MEDICINABIOMEDICINA ENGENHARIA AMBIENTAL BIODIVERSIDADE EVOLUÇÃO 9 Uma homenagem biológica a Mickey Mouse hipótese testável evidências/dados científicos ciência religião fé/crença Deus criacionismoevolução AQUI TRATAREMOS DE... NÃO TRATAREMOS DE... Jornal O ESTADO DE S. PAULO – 29/04/2012 “Biólogos querem reforçar ensino da evolução Preocupados com a disseminação de teorias criacionistas, eles pedem a criação de um núcleo temático na USP” “Jovens brasileiros conciliam bem ciência e religião” Sinto que minha fé contradiz as teorias científicas atuais 34.20% 57.60% 8.20% Concordo Discordo Sem resposta Compreendo e acredito na doutrina ou nos escritos religiosos Minha religião me impede de acreditar na evolução biológica 71.80% 21.80% 6.30% Concordo Discordo Sem resposta 19.50% 72.60% 7.90% Concordo Discordo Sem resposta Os fósseis são indícios de espécies que viveram no passado e que estão extintas hoje As espécies atuais de animais e plantas se originaram de outras espécies do passado Os humanos primitivos eram presas de dinossauros carnívoros 67.80% 22.30% 9.80% Concordo Discordo Sem resposta 63.90% 26.70% 9.40% Concordo Discordo Sem resposta 38.20% 50.60% 11.30% Concordo Discordo Sem resposta Na Terra primitiva, reações químicas transformaram matéria inorgânica em orgânica, gerando vida O ser humano se originou da mesma forma que as demais espécies biológicas 43.10% 43.50% 13.40% Concordo Discordo Sem resposta 44.30% 45.20% 10.80% Concordo Discordo Sem resposta INTRODUÇÃO À SISTEMÁTICA TAXONOMIA Área da Biologia que cuida de dar nomes (classificar) aos táxons (grupos de organismos) SISTEMÁTICA Área da Biologia que recupera a história evolutiva ou as relações de parentesco entre os táxons - Por que classificar? -Conceitos de indivíduo (= espécime, exemplar), população, espécie e subespécie (=raça geográfica) ESPECIAÇÃO COMPATIBILIDADE hibridação na região de sobreposição ( 2 subspp.)zona de intergradação b c INCOMPATIBILIDADE perda da barreira estado iniciala barreiraa a divergênciab c ou parapatria b c ou fusão (sp. única)d ou simpatria b + c extinção c 1) Imagine vários indivíduos de besouros em um fragmento de Mata Atlântica na Paraíba. Há uma variação individual (polimorfismo) normal presente até entre irmãos da mesma desova. Todos esses indivíduos (ou espécimes, ou exemplares) podem cruzar entre si gerando descendentes férteis. Esta é uma população desses besouros. População de besouros de um fragmento de Mata Atlântica da Paraíba 2) A Mata Atlântica não é um ambiente contínuo. Ela se encontra dispersa na forma de fragmentos ou remanescentes florestais Isolados uns dos outros de modo semelhante a ilhas. Apesar de associados à mata, esses besouros conseguem esporadicamente sair de um fragmento a outro, mantendo de certa forma o fluxo gênico entre essas populações. É impossível distinguir os besouros entre diferentes fragmentos e eles podem cruzar todos entre si, gerando descendentes férteis. Podemos afirmar que todas essas populações pertencem, portanto, à mesma espécie de besouro. População de besouros de um fragmento de Mata Atlântica da Paraíba População de besouros do fragmento 1 de Mata Atlântica da Bahia População de besouros do fragmento 2 de Mata Atlântica da Bahia Populações do nordeste População da divisa entre BA e MG Populações mineiras 3) Imagine agora que as populações desses mesmos besouros na região de Minas Gerais são muito parecidas com as populações do nordeste, exceto pela coloração ligeiramente diferente. Além disso, algumas populações de áreas situadas entre a Bahia e Minas Gerais cruzam entre si e geram descendentes férteis mas com padrão de coloração intermediário. Neste caso, as populações do nordeste e de Minas Gerais podem ser consideradas duas subespécies (ou raças geográficas) da mesma espécie de besouro florestal. Caso não existissem as populações intermediárias e nem o cruzamento entre populações mineiras e nordestinas, então esses dois conjuntos populacionais poderiam ser considerados espécies diferentes. CONCEITOS DE ESPÉCIE 1) Conceito Lineano: espécies são entidades imutáveis criadas por Deus 2) Conceito Morfológico: problemas com espécies crípticas (“sibling species”) e espécies com acentuada variação intraespecífica (dimorfismo sexual, variação ontogenética, etc...) 3) Biológico: “Espécies são grupos de populações naturais real ou potencialmente intercruzáveis, isolados reprodutivamente de outros grupos análogos.” (Mayr, 1940, 1957, 1963, 1969, 1976) 4) Fenético: “Espécies são grupos de indivíduos feneticamente similares, que são separados uns dos outros por hiatos fenéticos.” (Michener, 1970) 5) Evolutivo: “Uma espécie evolutiva é uma linhagem única de populações ancestrais-descendentes, a qual mantém sua identidade originária de outras linhagens e que tem suas próprias tendências evolutivas e seu próprio destino histórico.” (Wiley, 1978, 1981, modificado de Simpson, 1961) 6) Ecológico: “Uma espécie é uma linhagem (ou série de linhagens proximamente relacionadas) que ocupa uma zona adaptativa minimamente diferente da de qualquer outra linhagem dentro da sua distribuição e que evolui separadamente de todas as linhagens estranhas a esta sua distribuição.” (Van Valen, 1976) 7) De reconhecimento: “Espécie é a população mais inclusiva de organismos individuais biparentais, que dividem um sistema de fertilização comum.” (Paterson, 1973, 1978, 1980, 1985) “SMRS” (“Specific-Mate Recognition System”) 8) De coesão: “Uma espécie é a população mais inclusiva de indivíduos, tendo o potencial para a coesão fenotípica, através de mecanismos intrínsecos de coesão.” (Templeton, 1989) 9) Filogenéticos: - conceitos baseados em monofilia (Donoghue, 1985, por ex.) - espécies devem ser diagnosticadas por autapomorfias (Rosen, 1979) “Espécie filogenética é o menor grupo diagnosticável de organismos individuais dentro do qual há um padrão parental de ancestral e descendente.” (Cracraft, 1983) “...os menores termos analisados por métodos cladísticos...e as menores unidades não-arbitrárias Suportadas por uma combinação única de estados de caráter.” (Wheeler & Nixon, 1990) PRINCIPAIS ESCOLAS DE SISTEMÁTICA Escola Lineana (Essencialista, Tipológica ou Fixista) (1758) Carl von Linné ou Lineu (1707-1778) Erva-dos-gatos ou “catnip” (Nepeta cataria) da família das hortelãs ANTES DE LINEU DEPOIS DE LINEU Nepeta floribus interrupte spicatus pedunculatis (=“Nepeta com flores em uma espiga pedunculada Ininterrupta”) Nepeta cataria (=“Nepeta que atrai gatos”) George-Louis Leclerc, conde de Buffon (1707-1788) -Histoire Naturelle: 40 volumes -Rejeitou plano divino da criação -Acreditava na variação dentro das espécies -Espécies muito similares poderiam ter se originado do mesmo ancestral -Espécies eram as únicas unidades biológicas com existência real na natureza -Foi o 1º a formular o conceito moderno de espécies como unidades que são isoladas reprodutivamente Jean-Baptiste de Monet, Chevalier de Lamarck (1744-1829) -Philosophic Zoologique (1809) -Espécies mudam -Herança dos caracteres adquiridos Fonte:Evolução em Quatro Dimensões (Jablonka e Lamb, 2010) (1823-1913)(1809-1882) Viagem de Darwin a bordo do Beagle Esboço de uma árvore genealógica (filogenia) desenhado por Charles Darwin no seu Caderno B (“B Notebook”) em 1837. Viagens de Wallace A Árvore da Vida de Haeckel (1866) Projeto Tree of Life Gradista (Evolutiva, Sintética ou Tradicional) Julian Huxley Ernst Mayr George Gaylord Simpson P. J. Darlington Jr. Fenética (ou Numérica) Michener Sokal Michener & Sokal (1952) Sokal & Sneath (1963) Cladística (ou Filogenética) Willi Hennig (1966) CONCEITOS: - Série de transformação: mudança dos estados de uma determinada característica - Diferença entre caráter (=característica) e estado (=condição) Ex: caráter: cor do olho humano estados: azul, verde, castanho plesiomorfia apomorfia estado derivadoestado ancestral estado posteriorestado anterior condição basal ou original + recente ou novo+ antigo novidade evolutiva + evoluído melhorpior - evoluído sinônimos que podem ser usados erros conceituais que devem ser evitados 1) (caráter binário) a b condição plesiomórfica condição apomórfica 2) (caráter multi-estado) a b c d e As séries de transformação 1 e 2 são lineares!!! A próxima é chamada série ramificada!!! c e 3) a b d ANAGÊNESE CLADOGÊNESE 1 2 3 4 (=táxons ou grupos irmãos) (=politomia) (=nós) (=raiz) (=ramos ou clados) (=topos ou nós terminais) (+antigo) (+recente) ESCALA DE TEMPO Principais características de uma filogenia (representada por meio de um diagrama do tipo cladograma) Filogenia Filogenia Clados Filogenia Raiz “root” Filogenia Nó “node” Raiz “root” Filogenia Nó “node” Raiz “root” Terminal “tip” Filogenia Nó “node” Raiz “root” Terminal “tip” Ramo “branch” Filogenia Nó “node” Raiz “root” Terminal “tip” Ramo “branch” Escala “scale” Filogenia Nó “node” Raiz “root” Terminal “tip” Ramo “branch” Escala “scale” 22 Comprimento do ramo “branch length” Representa a acumulação de mudanças evolutivas Baseado em dados morfológicos e/ou moleculares Tipos de cladogramas Cladograma Não enraizado Enraizado Não representa o tempo de divergência Representa o tempo de divergência Ultramétrico • Comprimento dos ramos da raiz aos terminais é o mesmo • Representam medidas de tempo Cladograma Não ultramétrico • Comprimento dos ramos da raiz aos terminais variam • Representam acúmulo de mudanças evolutivas Cladograma Cladograma (filograma) Baseado em nós • Sem comprimento dos ramos • Somente a topologia • Análises – quantidade de nós que separam as espécies par a par Definição de grupo monofilético (ou natural): grupo que contém o ancestral comum e todos os seus descendentes conhecidos. GRUPO MONOFILÉTICO GRUPOS NÃO-MONOFILÉTICOS Parafilético Polifilético Martelando mais um pouco sobre os grupos naturais ou monofiléticos A B C D E F G H I J 11 12 13 14 15 16 17 19 18 Espécies de rinocerontes (Família Rhinocerontidae) Zebra (Família Equidae) Grupo externo (¨Outgroup¨) Grupo interno (¨Ingroup¨) (=grupos vivos ou recentes) (=grupos vivos ou recentes e grupos mortos ou extintos) Esta NÃO é a árvore da sua família Bisavô Avô Pai Você Isto É Evolução Peixes Anfíbios Mamíferos Ancestral comum de todos os Vertebrados Ancestral comum de todos os Tetrápodos Ancestral comum de todos os Mamíferos VocêPrimos de 2º grau Primos Irmãos Bisavós Avós Pais Esta É a árvore da sua família Peixe Salamandra Cachorro Homem Isto NÃO é Evolução No fundo, os sistematas só querem saber que grupo originou outro, quem é mais aparentado de quem...mesmo que essas descobertas não agradem a todo mundo!!! Em outras palavras, o que os sistematas querem saber é qual a ordem de surgimento de cada grupo, ou o grande mistério do universo... Quem nasceu primeiro, o ovo ou a galinha? E o mesmo raciocínio serve para outros organismos, basta dar tempo para que os mesmos processos que originaram as galinhas ocorram!!! No de cladogramas possíveis em função do no de terminais 1 terminal A 2 terminais A B 3 terminais A B C C A B B AC CB A A B C A B C A CB 1 2 3 4 terminais A B C D A B C D A BC D A B CD A B C D A BC D A BCD AB C D AB C D AB CD A BC D ABC D A BC D A B CD AB CD A BCD 1 2 3 4 5 6 7 8 9 11 1210 13 14 15 No de táxons terminais No possível de cladogramas totalmente resolvidos 1 1 2 1 3 3 4 15 5 105 6 945 7 10395 8 135135 9 2027025 10 34459425 11 654729075 12 13749310575 13 316234143225 14 1905853580625 15 213458046676875 16 6190283353629375 17 191898783962850625 18 6332659870762850625 19 221643095476699771875 20 8200794532637891559375 21 319830986772877770815625 22 13113070457687988603440625 . . . . . . 50 Mais cladogramas que o número de átomos no universo http://evolution.gs.washington.edu/phylip/software.html É tudo a mesma coisa!!! A B C D E F A B CDEF A B C DEF ABCDEF A BCDEF A B C D E F Hipótese testável Registro fóssil conhecido Filogenia conhecida Peixe Salamandra Tartaruga Galinha Porco Boi Coelho Homem “a filogenia recapitula a ontogenia” Caráter 7: homoplasia Caracteres 2, 5 e 8: sinapomorfias Caracteres 1, 3, 4 e 6: autapomorfias Princípio da parcimônia (“parsimony” em inglês): nos casos em que duas ou mais soluções diferentes são possíveis, opta-se pela solução com menor número de passos evolutivos. ÍNDICES 1) De consistência (Kluge & Farris, 1969): mede o no de homoplasias. ci = m/s onde: ci = índice de consistência de determinado caráter; m = no mínimo de passos (ou transições) que determinado caráter pode exibir na matriz; s = no efetivo de passos apresentados por determinado caráter na filogenia. 1 0 1 1 1R ci = ½ = 0,5 CI = M/S onde: CI = índice de consistência do cladograma; M = no mínimo de passos (ou transições) que caracteres exibem na matriz; S = no efetivo de passos dos caracteres na filogenia. Caracteres Táxons A B C D 1 1 1 1 1 2 1 0 0 0 3 0 1 1 1 4 0 1 0 0 5 0 0 1 1 6 0 0 1 0 7 0 0 0 1 A B C D 1 3 5 7 642 CI = 7/7 = 1,0 Caracteres Táxons A B C D 1 1 1 1 1 2 1 0 0 0 3 0 1 1 1 4 0 1 0 0 5 0 0 1 1 6 0 0 1 0 7 0 0 0 1 8 1 0 0 1 A B C D 1 3 5 7 642 8* 8* ci de cada caráter = 1,0 ci do caráter 8 = ½ = 0,5 CI = 8/9 = 0,889 2) De homoplasia (IH): IH = 1 - CI 3) De retenção (Farris, 1989): mede a proporção entre autapomorfias e sinapomorfias (não se aplica a autapomorfias isoladas). r = (g – s)/(g – m) onde: r = índice de retenção de determinado caráter; g = no máximo de passos (ou transições) que determinado caráter pode exibir na filogenia m = no mínimo de passos (ou transições) que determinado caráter pode exibir na matriz; s = no efetivo de passos apresentados por determinado caráter na filogenia Caracteres Táxons A B C D 1 1 1 1 1 2 1 0 0 0 3 0 1 1 1 4 0 1 0 0 5 0 0 1 1 6 0 0 1 0 7 0 0 0 1 8 1 0 0 1 Índicesdos caracteres Caracteres Índices do cladograma 1 2 3 4 5 6 7 8 m 1 1 1 1 1 1 1 1 M = 8 s 1 1 1 1 1 1 1 2 S = 9 g 4 1 3 1 2 1 1 2 G = 15 ci 1 1 1 1 1 1 1 0,5 CI = 8/9 = 0,889 r 1 - - - 1 - - 0 R =(15-9)/(15-8) = 6/7 = 0,857 4) De consistência rescalonado (Farris, 1989): produto entre os índices de consistência e retenção rc = r X ci RC = R x CI Índices dos caracteres Caracteres Índices do cladograma 1 2 3 4 5 6 7 8 m 1 1 1 1 1 1 1 1 M = 8 s 1 1 1 1 1 1 1 2 S = 9 g 4 1 3 1 2 1 1 2 G = 15 ci 1 1 1 1 1 1 1 0,5 CI = 8/9 = 0,889 r 1 - - - 1 - - 0 R =(15-9)/(15-8) = 6/7 = 0,857 rc 1 - - - 1 - - 0 RC = 0,857 x 0,889 = 0,762 Se acrescentarmos 4 novos caracteres autapomórficos aos 8 caracteres da matriz de exemplo... Caracteres Táxons A B C D 1 1 1 1 1 2 1 0 0 0 3 0 1 1 1 4 0 1 0 0 5 0 0 1 1 6 0 0 1 0 7 0 0 0 1 8 1 0 0 1 9 1 0 0 0 10 0 1 0 0 11 0 0 1 0 12 0 0 0 1 O CI passa de 8/9 (= 0,889) para 12/13 (= 0,923), dando a impressão que o cladograma melhorou (está + consistente), o que é falso!!!! Como as autapomorfias aumentam o CI, mas não mudam a topologia do cladograma, aconselha-se desconsiderar as autapomorfias qdo se comparam CIs de cladogramas diferentes. (MNOP) (M) (NOP) (NP) (MO) (O) (P) (OP) (NP) GRUPOS M O N P M O N P 12 passos 11 passos 11 passos Grupo externo (MNOP) (M) (NOP) (NP) (MO) (O) (P) (OP) (NP) GRUPOS M O N P M O N P 12 passos 11 passos 11 passos (9 passos) (9 passos) (9 passos) (9 passos) ABCDE CDE AB DE ABCDE BC DE ABCDE BCDE BC DE ABCDE ABC BC DE Solução: construir um cladograma de consenso 1º ) Levantar os grupos monofiléticos dos maiores aos menores (os grupos unitários aqui são desnecessários) 2º ) Desconsiderar também os maiores agrupamentos, pois estes não resolvem as politomias 1) CDE-AB-DE 2) BC-DE 3) BCDE-BC-DE 4) ABC-BC-DE 3º ) Escolher e aplicar um tipo de consenso 1) CDE-AB-DE 2) BC-DE 3) BCDE-BC-DE 4) ABC-BC-DE 1) CDE-AB-DE 2) BC-DE 3) BCDE-BC-DE 4) ABC-BC-DE Linguagem parentética ou newick (),Formato newick Formato newick ( a , b ) Formato newick ( a , b ) Formato newick ( ( a , b ) , c ) Formato newick ( ( a , b ) , c ) Formato newick ( ( a , b ) , c ) ( e , f ) Formato newick ( ( a , b ) , c ) ( d, ( e , f ) ) Formato newick ( ( a , b ) , c ) ( d, ( e , f ) ) Formato newick ( ( a , b ) , c ) ( d, ( e , f ) ) , Formato newick ( ( a , b ) , c ) ( d, ( e , f ) ) , ( ) Formato newick ( ( a , b ) , c ) ( d, ( e , f ) ) , ( ) ; Formato newick (( ( a , b ) , c ) , ( d, ( e , f ) ) ) ; Politomias Formato newick 4) Desenhe os cladogramas referentes aos pares de linguagem newick abaixo e, em seguida, os respectivos cladogramas de consenso estrito e semi-estrito a) (A,(B,(C,D))); e (B,(A,(C,D))); b) (A,(B,(C,D))); e (A,B,(C,D)); c) ((A,B),C,(D,(E,F))); e (((A,B),C),(E,(D,F))); d) (A,B,(C,D)); e (A,(B,C,D)); e) ((((A,B),C),D),((E,F),I,(G,H))); e ((A,B,C,D),((E,F),(I,(G,H)))); c) ((A,B),C,(D,(E,F))); e (((A,B),C),(E,(D,F))); d) (A,B,(C,D)); e (A,(B,C,D)); ESTRITO SEMI-ESTRITO e) ((((A,B),C),D),((E,F),I,(G,H))); e ((A,B,C,D),((E,F),(I,(G,H)))); ESTRITO SEMI-ESTRITO ...e assim por diante... b) c) G.E. 5) Com base nas figuras a seguir, e utilizando F e G como grupos externos, descreva os caracteres e seus estados, polarize-os e construa a matriz e o(s) cladograma(s) resultante(s). Observações: utilize a maior quantidade de caracteres multi-estado que conseguir. Informações a priori: “espinho mediano posterior do cefalotórax é uma condição apomórfica” e “fenda dorsal no cefalotórax é um caráter multi-estado com as condições ausente, simples, em forma de Y e em forma de X”. Detalhe da pinça de A Detalhe da pinça de D Detalhe da pinça de B Detalhe das pinças de C,E, F,G Caracteres GruposA B C D E PRINCÍPIOS PARA RECONSTRUÇÃO FILOGENÉTICA 1) Máxima Parcimônia (MP = Maximum Parsimony): em geral prioriza o menor número de passos evolutivos no cladograma. 1a) Parcimônia de Wagner: utilizada nas tranformações ordenadas aditivas (0→1→2). 0→1 apresenta o mesmo custo que 1→2. A direção não importa, reversões têm o mesmo custo. 1→0 conta um passo como 0→1. Se em alguma parte do cladograma aparecer a transição 0→2, ela contará dois passos. 1b) Parcimônia de Fitch: utilizada nas tranformações não-ordenadas e não-aditivas. 0 1 2 Conta 1 passo Conta 1 passo 1c) Parcimônia de Dollo: utilizada com dados moleculares, considera a direção e não aceita convergências, só reversões. 1 0 0 11 0 0 1 1* 1* 1 1R 1R Parcimônia de Wagner e de Fitch: 2 passos Parcimônia de Dollo: 3 passos 1d) Parcimônia de Camin &Sokal: contrária a de Dollo, considera a direção e não aceita reversões, só convergências. Assume a irreversibilidade das mudanças. Uma consequência é que a raiz sempre vai apresentar o estado 0. Não permite a transição 1→0. 0 1 1 1 0 1 1R 0 1 1 1 0 1* 1* 1* Parcimônia de Wagner e de Fitch: 2 passos Parcimônia de Camin- Sokal: 3 passos Obs: ponderação ou seleção de pesos. POLÊMICA Às vezes são imprescindíveis: transversões, que são trocas purinas (A,G) X pirimidinas (C,T), são mais raras que transições, que são trocas purinas X purinas ou pirimidinas X pirimidinas. 2) Máxima Verossimilhança (ML = Maximum Likelihood): escolhe a árvores mais provável (verossímel) de acordo com modelos evolutivos determinados a priori. Mais utilizada com dados moleculares. 3) Análise Bayesiana (BA = Bayesian Analysis): escolhe a árvores mais provável de acordo com modelos evolutivos determinados a posterior, depois que se aprende algo sobre os dados. Mais utilizada com dados moleculares. MÉTODOS DE BUSCA DE CLADOGRAMAS MÉTODOS DE BUSCA DE CLADOGRAMAS MÉTODOS DE BUSCA DE CLADOGRAMAS Programas para construir cladogramas Http://mesquiteproject.org/mesquite/mesquite.html http://phylodiversity.net/phylomatic/ Programas para construir cladogramas http://www.trex.uqam.ca Programas para construir cladogramas http://willpearse.github.io/phyloGenerator/ Programas para construir cladogramas Como visualizar e editar filogenias? • FigTree http://tree.bio.ed.ac.uk/software/figtree/ • MrEnt http://www.mrent.org (PAST)
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