Classificació dels éssers vius: de la morfologia a la seqüenciació de l'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. Cap a l'any 350 Aristòtil va fer una classificació dels éssers vius. Els va dividir en dos grups: el regne animal i el de les plantes. També va utilitzar el terme espècie. No obstant això, la taxonomia real XVIII. Es pot dir que va néixer en el segle XX de la mà del suec Lineo. Lli va voler classificar plantes, animals i minerals creats per Déu.

Segons les mentalitats del seu temps, Déu va crear les coses amb un pla o ordre. I sembla que l'objectiu de Línia era trobar aquest ordre. Així, va estudiar les característiques morfològiques i va crear una classificació jeràrquica tenint en compte semblances i diferències. En el seu llibre Species Plantarum va descriure les espècies vegetals, agrupant en gèneres espècies similars --amb característiques comunes– i, al seu torn, els gèneres en famílies. A més, per a designar cada espècie va utilitzar el nom binomial llatí --Gènere espècia-. En l'actualitat, aquest tipus de noms continuen sent utilitzats per científics de tot el món per a cridar a una espècie de la mateixa manera, i les bases de la taxonomia actual són també les establertes per Line.

No obstant això, amb la teoria de l'evolució de Darwin, la filosofia de la classificació dels éssers va canviar. De fet, segons la teoria de l'evolució, d'unes espècies a unes altres van sorgir al llarg de la història de la vida, de manera que, més que conèixer els plans de Déu, des de Darwin s'ha buscat una classificació que reflecteixi aquesta història de la vida --filogènia--.

La classificació dels éssers vius adopta la forma d'un arbre anomenat arbre filogenètic. En un dels extrems de l'arbre es troben els avantpassats o avantpassats de tots els éssers vius, i en l'altre extrem totes les espècies actuals. En aquest arbre, les espècies no es recullen en gènere només per les seves característiques similars, sinó per la seva procedència, i per això tenen característiques similars.

En la petjada de la morfologia

Aquests quatre animals són mol·luscos. Això significa que les característiques morfològiques dels quatre han sorgit de l'evolució del mateix avantpassat.

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

Les característiques morfològiques han estat durant molt de temps les principals petjades dels taxónimos per a poder construir l'arbre de la vida. Però la classificació dels éssers per aquestes característiques no és una tasca senzilla. Per exemple, veurem a simple vista que els caragols i els bavosos tenen característiques similars, o calamarsons, txokos i polps. Però per a veure que tots ells, a un altre nivell, tenen el mateix origen, cal mirar més a fons. Tots ells són mol·luscos perquè tenen el mateix model organitzatiu bàsic. És a dir, encara que sembli mentida, les característiques dels caragols, les melses, els calamarsons, els polps o els musclos poden explicar-se per l'evolució de les suposades característiques d'un hipotètic avantpassat de tots els mol·luscos.

Per a arribar a aquesta mena de conclusions cal analitzar alguna cosa més que les característiques que estan a la vista. Per exemple, moltes vegades es troben pistes útils en les primeres fases de desenvolupament dels éssers vius. Per exemple, els nostres avantpassats tenien cua i nosaltres també tenim en estat embrionari. O els embrions de les balenes, com la resta de mamífers, primer desenvolupen quatre potes i després gairebé desapareixen.

A més, cal tenir molta cura amb les petjades falses. En molts casos, al llarg de l'evolució, diverses espècies han obtingut característiques similars per diferents vies. Això és el que es coneix com a convergència evolutiva, com són les ales d'ocells i ratapinyades, o les estructures en forma d'aletes que els animals aquàtics han desenvolupat de manera diferent. A vegades és clar que els éssers de característiques similars no tenen relació, ja que tenen moltes altres característiques diferents. No obstant això, en altres ocasions, no és fàcil saber si algunes característiques tenen o no el mateix origen, i si s'utilitzen per a construir filogènia, es pot pensar que grups allunyats entre si estan a prop.

Per contra, els éssers morfològicament simples, com els nematodes, ofereixen molt poques petjades. Aquest tipus de grups causen grans maldecaps als taxonòmics. I no diguem en el cas dels microorganismes. Moltes vegades és molt difícil classificar-les per característiques morfològiques.

Així, encara que s'ha treballat molt en la construcció de la filogènia sobre la base de la morfologia, té les seves limitacions. I en alguns punts hi ha grans dificultats per a avançar només amb la morfologia.

Els animals alats han desenvolupat les seves ales per diferents vies.

D'arxiu; Dr. Hemmert; D'arxiu

Història de la vida en el genoma

En els últims 30 anys, les tècniques moleculars basades en l'ADN han estat revolucionàries en la classificació dels éssers vius. En definitiva, els canvis en l'evolució estan reflectits en el genoma dels éssers vius, per la qual cosa la informació continguda en el genoma pot ser de gran utilitat per a l'estudi de la filogènia.

Filogenómica és l'estudi de la filogènia a partir de grans quantitats de dades genètiques. Les tècniques de seqüenciació automàtica de PCR i ADN, per exemple, permeten amplificar i seqüenciar molts gens de forma relativament senzilla i ràpida. D'aquesta manera, els genètics estan colpejant i seqüenciant l'ADN. Ja han seqüenciat genomes complets d'unes mil espècies i cada mes s'estan publicant genomes seqüenciats de més espècies. I mitjançant la comparació de les seqüències d'aquests genomes --o d'alguns génes- es construeixen filogènies moleculars.

Al llarg del temps es produeixen mutacions o canvis en el genoma. Aquests canvis, a vegades, tindran conseqüències decisives i avançaran o no en funció de la selecció natural. Però molts altres canvis no tenen conseqüències significatives. Per exemple, en els gens hi ha regions que no codifiquen proteïnes: intronas. Els canvis que es produeixen en aquestes zones, en la majoria dels casos, no afecten la selecció, per la qual cosa es van acumulant al llarg de l'evolució. El mateix ocorre amb l'ADN mitocondrial, on s'acumulen molts canvis, l'ADN mitocondrial és molt utilitzat en la taxonomia molecular. Els grups pròxims entre si experimentaran canvis similars acumulats, per la qual cosa les seves seqüències d'ADN seran molt similars.

Les tècniques moleculars han permès grans avanços en les classificacions de microorganismes. L'estudi de la diversitat de bacteris realitzat fa 10-15 anys mitjançant seqüències d'ADN va donar resultats sorprenents. La presa de mostres de diferents mitjans i l'amplificació i seqüenciació dels gens de l'ARN ribosòmic (SSU) van permetre observar que la quantitat de seqüències de foc variada era entre 20 i 100 vegades superior a l'observat fins llavors en estudis basats en cultures. A més, encara que algunes d'aquestes seqüències eren similars a les dels bacteris coneguts dels conreats en les cultures, unes altres eren bastant diferents per a suggerir diferents línies evolutives sense representants coneguts.

Les tècniques moleculars han cobrat gran importància en la taxonomia dels microorganismes.

ANDANA

I, malgrat les controvèrsies que genera, en la resta dels éssers vius cobra cada vegada major importància la taxonomia basada en l'ADN. Té els seus problemes, però també els seus avantatges enfront de la taxonomia clàssica. D'una banda, són molt útils per a aclarir moltes coses que no poden ser aclarides amb característiques morfològiques, i per un altre, molt més ràpid que realitzar estudis morfològics.

Malgrat el debat, sembla que en la taxonomia la genètica s'avançarà a la morfologia i, d'ara endavant, en les seqüències d'ADN podrem llegir molts passatges sobre la història de la vida.

Raúl Bonal: "els debats sorgeixen perquè els taxónomos clàssics han vist la filogènia molecular com una amenaça"

En el Departament d'Entomologia del Natural History Museum de Londres, un equip d'investigadors dirigit per Alfried Vogler investiga la filogènia dels escarabats basada en la seqüenciació de l'ADN. De fet, han publicat recentment un arbre filogenètic elaborat amb 1.900 espècies d'escarabat. El Dr. Raúl Bonal és un investigador d'aquest equip que ha respost amb molt bona voluntat a les nostres preguntes.

Sembla que les tècniques moleculars estan enfortint la taxonomia. Això és innegable, no?

Sí, és cert, les tècniques moleculars estan revolucionant la taxonomia. Gràcies a les tècniques desenvolupades en els últims anys, en l'actualitat és relativament fàcil seqüenciar l'ADN. I comparant els canvis que s'han produït al llarg de l'evolució en diferents gens, es poden classificar els éssers.

Les tècniques moleculars permeten resoldre en gran manera alguns problemes de la taxonomia clàssica, com la convergència evolutiva. No obstant això, les filogènies moleculars també presenten problemes similars: a vegades un canvi produït per una mutació pot ser restaurat per una altra, i en aquests casos no detectarem cap canvi, on en realitat han existit dos canvis.

D'altra banda, és possible conèixer la biodiversitat d'un lloc de manera ràpida, seqüenciant i classificant l'ADN dels éssers oposats. A més, és molt útil per a identificar algunes de les fases del cicle de vida d'alguns éssers. Per exemple, les larves de molts insectes manquen de clau d'identificació i poden identificar-se comparant el seu ADN amb l'ADN dels adults identificats. El mateix amb espècies diferents (críptiques) que no poden separar-se morfològicament, o que, per ser morfològicament diferents, són la mateixa espècie. En aquests casos és molt útil la seqüenciació d'ADN.

(Foto: S. Barraques)

Però la taxonomia molecular genera grans controvèrsies...

Crec que les controvèrsies es deuen, més que a problemes tècnics, al fet que els taxónomos clàssics han vist la filogènia molecular com una amenaça. Per exemple, un taxónomo clàssic, expert en un grup d'insectes, -el treball dels quals cal respectar i estimar- no agrada que científics d'un altre camp, com el genètic, comencin a parlar de noves espècies. Senten que estan envaint el seu.

A més, l'aparició de noves espècies és a gran velocitat i moltes vegades s'utilitzen en filogènies sense donar nom ni descriure-les. Això no agrada res als clàssics. No obstant això, el nombre de noves espècies que es concentren en alguns llocs del planeta és tan elevat que és molt difícil realitzar una descripció morfològica prèvia a la construcció de la filogènia.

En definitiva, crec que és un enfrontament entre escoles i professionals diferents.

Un dels principals problemes de la taxonomia ha estat sempre el problema de la correcta definició de l'espècie. La genètica solucionarà aquest problema?

En aquest cromatograma d'ADN es poden comparar les seqüències d'ADN de sis individus.

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

Definir què és una espècie és molt difícil. La definició clàssica 'dura' diu que no es poden creuar les diferents espècies i que si es creuen els següents híbrids han de ser estèrils. Però en la realitat això no sempre es compleix. Un exemple són les famoses txontas de Darwin, que no obstant això es consideren espècies diferents. Per això, l'espècie es defineix a partir d'un conjunt de poblacions que comparteixen unes característiques i que interactuen espai-temporalment.

Les filogènies moleculars tenen en compte aquesta última definició. En l'arbre filogenètic, realitzat mitjançant la comparació de seqüències d'ADN, es pot calcular, mitjançant càlculs estadístics i models d'evolució molecular, on comença l'especiació. És a dir, es pot dibuixar una línia que talla les branques de l'arbre a certa altura, i els individus que queden aquí junts pertanyen a la mateixa espècie. Per contra, les branques que es formen a partir d'aquí indiquen la diversitat genètica d'una mateixa espècie.

El concepte d'espècie és discutible en biologia, però l'eficàcia d'aquesta forma de determinació d'espècies mitjançant seqüències d'ADN està demostrada. En els casos en els quals s'ha realitzat la prova amb espècies conegudes, s'han obtingut resultats molt similars als obtinguts de manera clàssica.

Les classificacions basades en l'ADN deixaran de costat la morfologia?

Potser perquè penso que han d'arribar a parlar-nos o jo crec que no. És cert que la genètica és molt més ràpida. Molta gent no s'adona de quantes espècies hi ha per descobrir. En els insectes, per exemple, s'estima que poden existir deu milions d'espècies i no es coneix cap dècima. En aquest sentit, la morfologia no pot competir amb la genètica.

Els escarabats del gènere Curculia perforen i posen els seus ous en les glans.

(Foto: R. Bonal)

Però no crec que calgui abandonar la morfologia. La descripció morfològica de les espècies és important. També poden realitzar-se filogènies que combinen característiques moleculars i morfològiques. A més, encara que la seqüenciació d'ADN està cada vegada més a l'abast de científics, no està a l'abast dels naturalistes aficionats, per la qual cosa és bo tenir claus morfològiques. A més, el coneixement que tenen els taxónomos clàssics no es pot perdre. I aquí vull denunciar que s'està perdent perquè en molts museus no surten noves places per a aquesta mena de professionals.

Què opines sobre el codi de barres genètic?

És una idea interessant i atractiva, gairebé com es fa en els supermercats: passar un ésser per un detector i dir quina espècie és el detector...

Com es va plantejar al principi, té diversos problemes. La idea era seqüenciar un mateix gen per a totes les espècies i així utilitzar una seqüència determinada com a identificadors de cada espècie. Però les espècies es defineixen segons la classificació clàssica. D'aquesta forma es mantenen els problemes de la taxonomia morfològica i es cometen els mateixos errors. A més, per a espècies críptiques que no es diferencien morfològicament però que tenen una seqüència genètica diferent, quin criteri cal prendre?

Crec que és més adequat fer la filogènia sobre la base de l'ADN, i així utilitzar la classificació realitzada per a fixar el codi de barres que correspon a cada espècie.

Els estudis d'ADN són molt útils per a identificar les larves de molts insectes.

(Foto: Entomart)

Tu treballes amb coleòpters. És el grup més gran d'insectes amb una gran diversitat morfològica. Quins avantatges ofereixen les tècniques moleculars en el cas dels coleòpters?

Per les característiques que esmenta, el grup de coleòpters és un dels grups que més destaca pels avantatges abans esmentats. Amb un número tan gran d'espècies, moltes no es coneixen o es coneixen malament, i en la taxonomia clàssica hi ha moltes llacunes. A les regions tropicals aquest desconeixement és molt evident. A més, per a moltes larves no hi ha claus d'identificació (en alguns casos les larves mai s'han recollit). Tots aquests problemes poden resoldre's gràcies a la taxonomia molecular.

Què investigueu exactament?

En el nostre grup hi ha gent que treballa amb diferents grups de coleòpters: escarabats més coprofos, granívors, aquàtics... Construïm arbres filogenètics a partir de l'ADN, determinem espècies... I, a més d'investigar l'arbre, també s'investiguen els patrons evolutius dels gens.

D'altra banda, a partir de la filogènia, també investiguem l'evolució de certes característiques morfològiques, ecològiques, estratègies reproductives, etc. Jo mateix estic investigant l'evolució de la grandària corporal del gènere Curculio. Les larves d'aquests insectes són paràsits de les glans. El primer pas consisteix a construir una filogènia molecular i el següent, analitzar el model d'evolució que ha seguit la grandària corporal en funció d'aquesta filogènia.

Precisament, a través d'aquests estudis he pogut comprovar algunes dels avantatges de la taxonomia molecular. A Europa hi ha cinc espècies del gènere Curculio, bé conegudes. Als Estats Units hi ha més espècies, però estan ben estudiades. A Centreamèrica la qüestió és molt diferent. En un mostreig realitzat a Mèxic durant un mes, es van trobar 20 espècies, segons estudis d'ADN, i estimem que tenint en compte les zones que falten per a mostrejar, poden ser centenars. Si haguéssim de fer aquest estudi de diversitat des de la morfologia, necessitaríem molt temps. A més, mitjançant l'ADN podem introduir larves en la filogènia que són molt més fàcils de recollir.