Cladograma
Cladograma é um diagrama usado em cladística que mostra as relações entre táxons terminais, seja ao nível de espécie ou grupos supraespecíficos, formando grupos monofiléticos evidenciados por sinapomorfias, indicando uma história em comum, não necessariamente uma ancestralidade direta. Apesar de terem sido tradicionalmente obtidas principalmente por caracteres morfológicos, as sequências de DNA e RNA e a filogenética computacional são agora normalmente usadas para gerar cladogramas.
As ramificações de um cladograma representam as relações de ancestralidade, sendo um ramo, o ancestral do táxon (espécie, gênero, grupo artificial) que o segue. Os nós representam os eventos de cladogênese (divergência entre os táxons). A raiz representa o ancestral comum de todos os nós incluídos no cladograma. E, por fim, os nós terminais, que representam os táxons terminais, ou unidades taxonômicas funcionais (UTO), e sua distribuição na árvore constitui suas relações de semelhança e parentesco, caracterizando também a finalidade desse diagrama. Uma característica importante é que cladogramas mostram a relação entre grupos-irmãos, o comprimento dos ramos não corresponde ao tempo de divergência (Dendogramas) ou à quantidade de transformações morfológicas ou moleculares (Filogramas). Cladogramas não são muito informativos se comparados a árvores filogenéticas, e não podem trazer detalhes sobre a evolução do grupo estudado, pois relacionados a processos de especiação, podem trazer padrões evolutivos distintos, por exemplo, os “nós” podem representar processos de brotamento (quando o ancestral dá origem a uma espécie descendente mas permanece vivente), divisão ou bifurcação (quando um ancestral origina duas espécies e se extingue), fusão ou hibridização (processo reticulado, com vários passos que não pode ser representado em árvores) ou ainda anagênese (na qual uma espécie dá lugar a sua descendente). Esses possíveis cenários evolutivos podem confundir a análise final do grupo estudado.
Determinação do grupo de estudo
O primeiro passo para a produção de um cladograma é a escolha de um grupo de estudo. Este pode ser um táxon tradicional ou não. Por exemplo: uma família, onde os táxons terminais seriam gêneros. Ou poderia ser um gênero, sendo os táxons finais espécies. Os táxons terminais tampouco precisam ser estritamente do mesmo nível taxonômico ou uma categoria tradicional (por exemplo, os Bilateria, um táxon mais abrangente que inclui como táxons terminais Platyhelminthes, Nemertea, Mollusca, Sipuncula, Echiura e Metameria ("Annelida" + Ecdysozoa + Enterocoela). Mas é necessário que o grupo escolhido seja monofilético, e que essa monofilia seja sustentada por sinapomorfias. A monofilia do grupo já pode estar bem apoiada por uma boa lista de caracteres, entretanto, em casos especiais onde os estudos sobre o táxon ou grupo são recentes, é necessário um esforço maior, exigindo uma análise mais abrangente sobre suas relações para poder ser inferida monofilia a esse grupo.
São todos os organismos vivos, exceto aqueles pertencentes ao seu grupo de estudo, determinados por polarização de caracteres. Um tipo importante é o grupo-irmão, que se caracteriza por ser o grupo externo filogeneticamente mais próximo do grupo de estudo, e o que fornece mais informações sobre o sentido da evolução dos caracteres. A relevância de se incluir grupos externos à sua análise é corroborar sua hipótese de monofilia ao grupo de interesse.
Seleção de caracteres
Tendo os táxons terminais selecionados, chega o momento de descobrir e levantar dados de caracteres que variem no grupo. Essa lista de características é o principal ponto na formação de um cladograma, por ser sobre elas que as hipóteses filogenéticas se apoiam. Geralmente matrizes de caracteres são criadas a partir de alguns pressupostos básicos, a saber: Cada espécie ou táxon supra-especifico tem dois estados de caráter, “0” é o plesiomórfico e “1” é apomórfico; Homoplasias, tanto por reversões ou convergências, são evitadas pelo princípio da parcimônia; E que um único passo, de plesiomórfico a uma condição mais derivada de estado, na grande maioria das vezes, representa uma mudança de uma espécie para outra, isso por que o processo evolutivo é discreto em cladogramas, para ser clara a distinção entre características e entre espécies. Os caracteres utilizados podem ser de comportamento (nidificação, corte, cuidado parental, defesa de território, forrageio), embriologia, bioquímica, fisiologia, alimentação, morfologia (coloração, aspectos da cabeça, asa, morfometria óssea, etc).
Homologias versus homoplasias
No geral, estruturas homólogas são aquelas que indicam ancestralidade comum, ou seja, à luz da evolução, se duas espécies apresentam homologia em suas estruturas, quer dizer que seu ancestral comum também apresentava tal estrutura. Esta pode sofrer variações morfológicas e funcionais ao longo do tempo. Essa concepção passou a ser utilizada com o advento da biologia evolutiva, sendo que no período pré-Darwiniano, homologias caracterizavam um “plano da natureza”, num sentido sobrenatural. Atualmente, compõem a principal ferramenta utilizada pela Sistemática Filogenética. De contrapartida, homoplasias são caracteres compartilhados entre duas ou mais espécies que não estavam presentes no ancestral comum entre elas, e que essa novidade teria surgido independentemente nas duas ou mais linhagens. Um exemplo muito comum são as asas de aves e de morcegos, que possuem a mesma função, mas têm origens diferentes. Em morcegos, a membrana alar estende-se entre os dedos de seus membros anteriores (homólogos ao braço humano), e em aves a membrana alar liga-se ao tórax pela parte distal da asa. Além disso, asas de pássaros são cobertas por penas, enquanto as de morcegos são cobertas por pele. Essas semelhanças são meramente superficiais, e surgiram mais de uma vez, provavelmente porque esses dois organismos sofreram pressões evolutivas muito parecidas na aerodinâmica de suas asas (forma, tamanho, movimento).
Plesiomorfias e apomorfias
Em uma série de transformação, que seria a sequência de modificações que uma estrutura sofreu até a sua condição mais derivada; a condição original (mais antiga) é denominada plesiomorfia, enquanto a mais recente, derivada, é chamada de apomorfia. Em sistemas naturais, essas condições são compartilhadas pelos indivíduos de uma ou mais espécies, que nesse caso são chamados de simplesiomorfia e sinapomorfia. Assim, um dado estado de caráter é simplesiomórfico (ectotermia em répteis, anfíbios, outros vertebrados e invertebrados) para um grupo, ou sinapomórfico (presença de pelos em mamíferos, celoma em celomados) para um grupo. As séries de transformação lineares podem apresentar apenas duas condições, uma plesiomórfica e outra apomórfica (situação mais simples). Por exemplo, a presença de vértebras corresponde a uma condição apomórfica em relação à condição plesiomórfica “sem vértebras”, por exemplo, ou ainda pode abranger condições intermédias, onde um estado sempre será apomórfico em relação ao estado a partir do qual se modificou (por exemplo, a modificação da condição tetrápode original de Amniota para a postura bípede dos humanos, na qual verificam-se várias etapas, com modificações sucessivas na inclinação da coluna e na forma de outros ossos). Vale ressaltar que, nesses casos, uma modificação anterior estará presente na posterior nas mesmas estruturas, ou seja, no caso do exemplo da condição bípede em humanos, uma novidade foi da condição tetrápode para uma semi-ereta (a -> b), e depois da condição semi-ereta para a totalmente ereta (b -> c). A apomorfia quadrúpede -> semi-ereto vai estar tanto em organismos semi-eretos quanto naqueles totalmente eretos. Existem ainda séries com eventos de bifurcação, nas quais de uma mesma condição plesiomórfica surgem duas ou mais condições apomórficas.
Polarização
É o método pelo qual reconhecemos o que é plesiomórfico e o que é apomórfico, ou seja, a polaridade do caráter, e como esses estados de caracteres serão dispostos no cladograma. Existem basicamente dois meios de determinar o sentido da mudança: método do grupo-externo e por registro fóssil. O primeiro utiliza um grupo-externo relacionado ao grupo de estudo para determinar qual caráter é ancestral. Geralmente, o grupo-externo apresenta tal característica. Por exemplo, Amniota é o grupo formado por répteis, aves e mamíferos; todos esses animais possuem uma membrana do ovo, chamada âmnio, durante o seu desenvolvimento. Sabe-se que amniotas são um grupo monofilético, ou seja, todos eles compartilham um mesmo ancestral comum. Pegando um conjunto de seis espécies amnióticas como um rato, um canguru, um pássaro do paraíso, um pisco, um crocodilo e uma tartaruga, onde duas são vivíparas (rato e canguru) e o restante é ovípara, como saber qual caráter é apomórfico? Com isso, é selecionado um grupo-externo não amniota próximo filogeneticamente, como salamandras, sapos ou um peixe. Nesses grupos, oviparidade predomina, consequentemente essa característica é considerada basal (plesiomórfica) em relação à viviparidade (apomórfica). Ou seja, cangurus e ratos seriam táxons mais derivados no grupo de estudo. Entretanto, esse método tem ressalvas, pois um determinado grupo externo pode sugerir que um caráter é basal, mas outro grupo externo pode apontar um outro caráter como basal. Assim, é necessária uma análise com o máximo de grupos ou espécies próximas relacionadas que corroborem a mesma polaridade.
Matriz de caracteres
As matrizes são os depósitos das informações reunidas até agora. Exibem em cada ponto a condição de um caráter em um determinado táxon. Elas correspondem à base de dados sobre a qual os cladogramas serão construídos. Erros na matriz de caracteres correspondem a erros de topologia na árvore, ou seja, cladogramas falsos. Tecnicamente, a maneira de orientar as matrizes em colunas e em linhas pode variar, mas normalmente são feitas colocando os táxons nas linhas e os caracteres nas colunas. Em relação à ordenação de caracteres e táxons na matriz, se já houver alguma inferência sobre a filogenia do grupo, esta pode ser utilizada para organizar os dados na matriz, na qual a sequência dos táxons pode seguir a hierarquia da classificação tradicional. À medida que o estudo prossegue, novas sinapomorfias encontradas podem unir grupos monofiléticos, sendo necessária uma nova matriz. Um método de organizar os táxons por ordem alfabética, por exemplo, pode dificultar a visualização de caracteres compartilhados e de homoplasias. Existem três tipos de matrizes:
Quando considerados poucos táxons, essa etapa pode ser feita manualmente. Entretanto, se a análise inclui muitos táxons e dezenas de caracteres, é necessário o auxílio de um programa computacional. No primeiro caso, caracteres da matriz polarizada são adicionados um a um em uma politomia. À medida que a adição prossegue, hipóteses de monofilias são geradas, tomando cada caráter como apomórfico. A ordem de adição de caracteres não é relevante quando sua matriz polarizada não apresenta incongruências, ou seja, caracteres diferentes indicam que o grupo ou espécie pertencem a grupos monofiléticos diferentes, podendo representar homoplasias ou reversões, o que não é bom para análises cladísticas que prezam o princípio da parcimônia. Por outro lado, congruências são apomorfias que unem grupos monofiléticos. É válido ressaltar que a construção deficiente dos caracteres (determinação de homologias, definição de estados de caráter, polarização, ordenação e séries de transformação) leva a incongruências, logo à construção de cladogramas ruins, falsos.
A análise de parcimônia pode gerar inúmeras árvores mais parcimoniosas, o que pode ser chamado de “floresta”, e é difícil escolher qual delas melhor infere as relações filogenéticas do grupo. Para isso, existem métodos de consenso de árvores, que buscam otimizar a topologia dos cladogramas (não a matriz de caracteres): Outros algoritmos para otimização de cladogramas são os de máxima verossimilhança, de inferência Bayesiana, método dos mínimos quadrados, parcimônia e outros. No geral, esses algoritmos comparam as árvores geradas umas em relação às outras e, por fim, encontram uma que é a melhor alternativa.
Basicamente, cladogramas contêm hipóteses sobre a filogenia de um determinado grupo. Essa hipótese pode ser verdadeira ou falsa dependendo da interpretação dos dados considerados para o estudo. Correspondem ainda a um conjunto de informações sobre monofilia, ou seja, caso a monofilia de um subgrupo seja refutada, isso não invalida necessariamente as demais. Erros de análise podem envolver casos de afirmação incorreta de homologia primária de caracteres ou sobre a polaridade desses caracteres; afirmações erradas sobre homologias secundárias (apomorfias compartilhadas sendo homoplasias ao invés de sinapomorfias, ou ainda se as sinplesiomorfias não são realmente eventos de reversão); e equívoco no momento de inferir monofilia ao táxon de estudo. As informações apresentadas em um cladograma podem sofrer transformações à medida que o conhecimento sobre os táxons e sua diversidade aumentam, com a adição de dados de espécies ou caracteres; ou mudança na polarização, e na monofilia do grupo, por exemplo, podendo ou não mudar a topologia da árvore.
