Estado da Arte e Perspectivas para a Zoologia no Brasil

Organizadores

ROSANA M. DA ROCHA & WALTER A. BOEGER

© Rosana Moreira da Rocha e Walter Antonio Pereira Boeger

Estado da arte e perspectivas para a Zoologia no Brasil Coordenação editorial Daniele Soares Carneiro Revisão Erica Rodrigues Revisão final dos Organizadores Projeto gráfico e editoração Científica Consultoria em Meio Ambiente, Editora e Gestão da Informação S/S Capa Reinaldo Weber – com base em ilustrações de Ernst Haeckel CTP, Impress ã o e Acabamento Imprensa Oficial do Estado de S ã o Paulo Série Pesquisa, n. 149 Coordenação de Processos Técnicos. Sistema de Bibliotecas. UFPR Congresso Brasileiro de Zoologia (27.: 2008: Curitiba) Estado da arte e perspectivas para a zoologia no Brasil, Curitiba, 17/02 a 21/02/2008; Sociedade Brasileira de Zoologia; organizadores Rosana M. da Rocha & Walter A. Boeger. – Curitiba: Ed. UFPR, 2009. 296p.: il., grafs., tabs. ISSN 2176-3763 Inclui referências 1. Zoologia – Congressos. I. Sociedade Brasileira de Zoologia. II. Rocha, Rosana Moreira da, 1962-. III. Boeger, Walter Antonio Pereira, 1957-. IV. Título. V. Série. CDD 591 CDU 590

ISSN 2176-3763 Ref. 550 Direitos reservados à Editora UFPR Rua João Negrão, 280 - Centro Tel.: (41) 3360-7489 - Fax: (41) 3360-7486 Caixa Postal 17309 80010-200 - Curitiba - Paraná - Brasil 2009

CAPÍTULO UM

Evolução dos Metazoa Maximiliano M. Maronna & Antonio C. Marques

As diversas abordagens no estudo dos Metazoa O Reino Animalia foi definido por CAROLUS LINNAEUS em seu Systema Naturae (1735) como composto pelos objetos naturais que crescem, vivem e sentem, em contraste com as plantas (que crescem e vivem, mas não sentem) e com os minerais (que crescem, mas não sentem ou vivem). O conceito foi modificado por ERNST HAECKEL (1866), quando os animais foram separados dos ‘protistas’ por possuírem tecidos e órgãos e, em 1874, o mesmo autor incluiu os Porifera como animais e, assim, o reino Animalia chegou basicamente à sua constituição atual. No entanto, é evidente que a origem taxonômica, i.e., o ato de formalização da proposta de um nome para o grupo de organismos de natureza animal, não corresponde à criação ou existência do grupo em si. A procura pela hipótese da origem e das relações entre os grupos animais é antiga e apresenta várias vertentes, tais como a paleontologia, a morfologia e embriologia comparada e, mais recentemente, a biologia molecular e o estudo da biologia do desenvolvimento. Na última década, pesquisas macroevolutivas foram desenvolvidas para os Metazoa com diversas fontes de dados, tanto morfológicas quanto moleculares. Nesta breve história, estudos enfocando exclusivamente a morfologia (e.g., NIELSEN et al. 1996, NIELSEN 2001, JENNER & SCHOLTZ 2005) ou exclusivamente as moléculas (e.g., AGUINALDO et al. 1997, KIM et al. 1999, MEDINA et al. 2001) praticamente co-existiram com uma etapa, ainda que breve, de análises simultâneas (e.g., GIRIBET et al. 2000, PETERSON & EERNISSE 2001, ZRZAVÝ 2003, GLENNER et al. 2004). Devido a uma série de fatores, essa fase mais pluralista afunilou-se e a abordagem dos estudos atuais assenta-se majoritariamente em dados exclusivamente moleculares. Evidentemente, dentro do desenvolvimento histórico dessa área de estudo, o foco mais pontual das pesquisas trouxe aspectos negativos e positivos. Neste contexto, o objetivo deste capítulo é rever as contribuições das diversas áreas das ciências biológicas para o estudo de evolução dos Metazoa no Brasil e no Mundo, apresentar possibilidades de abordagens futuras e ponderar sobre o possível desenvolvimento desta área de pesquisa em nosso país.

Estudos paleontológicos Embora reconhecido como falho para reconstrução total da história filogenética de um grupo (PATTERSON 1981), o registro fóssil provê informações importantes, como a idade mínima de existência de um táxon sobre a terra. Em abordagens macroevolutivas, o con-

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texto de tempo e intensidade da diferenciação de linhagens é um importante componente no cenário da evolução animal. No caso dos animais, existem indicações duvidosas de registros destes organismos entre 1000 e 700 My (My = milhões de anos). Porém, o primeiro registro seguro de um organismo com natureza animal é do período Vendiano do PréCambriano, há cerca de 680-750 My, em especial para a região de Ediacara, ao sul da Austrália. Acredita-se que as formas identificadas em Ediacara seriam semelhantes aos cnidários, mas há também possíveis anelídeos (6 gêneros) e artrópodes (2 gêneros) (GLAESSNER 1984). Outros registros de animais do Vendiano existem para pontos diversos do planeta, e.g. Namíbia e Rússia, o que sugere que Ediacara não seria um registro isolado. Estratigraficamente, após os fósseis de Ediacara, há indicações que quase todos os grupos animais já existiriam no início do Cambriano (cerca de 550-570 My). Em outras palavras, praticamente toda a diversidade de grupos mais inclusivos de Metazoa estaria representada em parcos 20 My e isso teria acontecido não muito tempo depois da própria existência da fauna de Ediacara. Tal fenômeno foi batizado como a “irradiação Cambriana” ou “explosão Cambriana”. Este marco paleontológico consagrou várias teorias sobre a origem dos animais, mas seus aspectos mais significativos são (a) mostrar que a idade mínima dos grupos animais é muito antiga e (b) que a diversidade de formas de grandes grupos trabalhada hoje em dia em estudos morfológicos e moleculares comparados ignora uma substancial diversidade animal. Os fósseis da era Cambriana ficaram famosos principalmente pelas descobertas de Burgess Shale no Canadá, há 530 My. Os registros deste local incluiram organismos de afinidades incertas, além de vários grupos ainda representados atualmente: Arthropoda, Mollusca, Echinodermata, Brachiopoda, Porifera e Cnidaria (poucos, se comparados aos do Pré-Cambriano), entre vários outros filos (CONWAY MORRIS 1979). A despeito de todas as interpretações conflitantes que possam existir para o registro fóssil, o fato é que os animais existem há no mínimo 600 My e, desde então, se acaso monofiléticos (i.e., descartando possibilidades de terem aparecido mais de uma vez), teriam somente divergido. Ou seja, a evolução ocorrente entre os grandes grupos animais é, no mínimo, da mesma idade do Cambriano, já que nesse estrato se encontrava a maioria dos grupos animais hoje conhecidos. Tal diversificação evolutiva, refletida na morfologia, comportamento, moléculas, etc., complica deveras a comparação entre os grandes grupos de animais. Assim como ocorrido no Cambriano, um grande agravante para interpretações a respeito da evolução dos animais reside nas extinções pelas quais passaram suas linhagens. A cada extinção de um grupo, perdem-se informações cruciais a respeito da evolução de suas estruturas, i.e. informações que poderiam preencher lacunas no estudo da morfologia de organismos atuais. O montante de extinções ocorridas compromete diretamente qualquer tentativa de elaboração de hipóteses para filogenia dos Metazoa, em qualquer nível taxonômico, qualquer que seja a natureza dos dados a serem utilizados. Em termos ideais, uma compreensão adequada sobre a evolução animal teria de enfocar os componentes extintos, inclusive os que foram sequer conhecidos.

Estudos morfológicos de grupos recentes Os fatores expostos acima influem diretamente no âmago da Biologia Comparada, que é o estabelecimento de homologias entre os grupos e, talvez, tenha tornado o tema “origem e evolução dos metazoários” mais lúdico que científico em certos momentos, quando não havia restrições para as hipóteses levantadas, fossem elas esdrúxulas, fossem elas

Evolução dos Metazoa

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bem embasadas. Neste contexto histórico, apareceu uma sequência de hipóteses para o surgimento dos metazoários, cada uma geralmente associada a (ou derivando de) uma hipótese filogenética. Assim, a história do estudo da evolução animal saiu um pouco do cenário da paleontologia, com capacidade mais restrita na elucidação do problema sobre o surgimento e relações dos grupos animais, e passou a explorar os campos da morfologia, embriologia e afins. Esta fase do estudo da evolução animal foi longa, com início no século passado com Ernst Haeckel até autores atuais. As teorias têm em comum a construção de um cenário evolutivo seguido por uma hipótese, buscando explicações e afinidades nos processos evolutivos sobre estruturas/sistemas para a elaboração de uma teoria. A partir dos estudos da morfologia de Libbie H. Hyman, em meados deste século, se compreendeu a importância da compilação e aquisição de dados para essa área do conhecimento. Em tempos recentes, o requinte destes detalhamentos adentrou no campo da ultraestrutura, com uma grande coleção de caracteres trazida à luz. Indubitavelmente, o maior legado desta fase foi o grande número de caracteres acumulados. Por um longo período, o avanço da compreensão sobre evolução animal estava na aquisição de conhecimentos e não em diferentes formas de tratamento destes. Os estudos tinham uma óptica gradista, em que a interpretação pessoal do autor assumia grande importância sobre qualquer que fosse o método de reconstrução da filogenia. Uma virada metodológica ocorreu com o advento da Sistemática Filogenética de Willi Hennig e com sua disseminação e avanço a partir de 1970, derivando a Cladística. No entanto, não era ainda o momento em que a teoria seria incorporada no estudo dos grandes grupos. De fato, a Cladística entrou na história da evolução dos grandes grupos animais tardiamente. Este atraso foi decorrência de alguns fatores básicos, tais como a aquisição e domínio do conhecimento morfológico, o aparecimento e tratamento dos dados moleculares, a aquisição e domínio do conhecimento de análise e as adaptações desta análise para conjuntos de dados cada vez maiores. Todos estes aspectos relacionam-se ao conceito central no estudo da biologia comparada, o conceito de homologia.

Estudos moleculares – estudos clássicos usando sequências Alguns pesquisadores consideram as análises de dados moleculares como uma panaceia para a questão da evolução dos animais, especialmente por pretensamente resolver questões de homologia, que são difíceis de tratar em dados morfológicos. Entretanto, dados moleculares de qualquer natureza têm importantes restrições teóricas e metodológicas inatas, além das questões sobre homologia (ver abaixo). A primeira questão refere-se à escolha dos métodos de tratamento dos dados. Tanto a adoção de métodos com assunção explícita do processo evolutivo (por exemplo, métodos de distância e probabilísticos) como os com assunção implícita (por exemplo, parcimônia) possuem prerrogativas que não podem ser violadas, sob custo de tornarem as análises inconsistentes. Independente do método, acreditamos que a principal fonte de inconsistência, que demanda atenção redobrada dos pesquisadores, é uma amostragem taxonômica inadequada (taxon sampling) (HEATH et al. 2008, IRIMIA et al. 2007). Questões de amostragem estão relacionadas a (1) um quadro de similaridade na composição nucleotídica (compositional bias), (2) a taxas de evolução muito diferentes em alguns terminais da análise (long branch attraction) e (3) à heterotaquia, ou seja, a variação na taxa de evolução numa região gênica ao longo do tempo. Inicialmente, a sistemática molecular dos Metazoa foi baseada principalmente nos genes ribossomais nucleares 18S e 28S (FIELD et al. 1988, LAKE 1990, CHRISTEN et al. 1991). Esse fato

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ocorreu por uma série de fatores técnicos e biológicos relacionados a este marcador: 1) a disponibilidade de regiões muito conservadas nas sequências nos diversos grupos, ideais para determinar iniciadores para a amplificação de sequências de nucleotídeos pela técnica de PCR (Polymerase Chain Reaction) em grupos diversos; 2) facilidade de amplificação via PCR por apresentar um grande número de cópias no genoma, principalmente nos casos em que as extrações de DNA eram menos eficientes; 3) a boa relação de variabilidade (mudanças nucleotídicas) das sequências, considerando o desafio temporal do tema de estudo – a evolução animal e sua origem há centenas de milhões de anos (HILLIS & DIXON 1991, GRECHKO 2002). Como decorrência, esta abordagem legou uma grande quantidade de informações sobre sequências de um grande número de táxons. Embora seja uma área com história bastante recente, o número de trabalhos publicados no tema é relativamente estável nos últimos dez anos, mas o número de citações de trabalhos nesta área apresenta um aumento exponencial (Tabela 1).

Tabela 1. Levantamento de número de trabalhos publicados e citações na base de dados Thomson Scientific – Web of Science. (Metazoa + phylogeny + ribosomal) – Ano (phylogenomics + EST) Trabalhos

Citações

(Metazoa* + "phylogenetic analyses")

(Metazoa + phylogeny)

(Metazoa + genome* + evolution*)

Trabalhos Citações

Trabalhos Citações

Trabalhos Citações

1997

2

5

2

0

10

11

8

4

1998

7

23

5

12

14

45

10

42

1999

3

43

7

75

13

113

24

149

2000

8

103

6

126

18

187

19

241

2001

3

129

8

144

7

219

20

393

2002

8

203

5

183

16

327

39

503

2003

6

205

14

264

21

361

40

807

2004

5

286

9

305

14

479

58

1176

2005

6

325

14

380

19

566

70

1724

2006

4

266

14

416

20

567

80

1936

2007

2

266

28

440

20

578

100

2191

Total

54

1854

112

2345

172

3453

468

9166

Nota: os descritores utilizados nas estratégias de busca aparecem na primeira linha. A série de busca foi de 1997 a 2007 (busca realizada em 26.03.2008).

O ponto inicial em qualquer trabalho sistemático, inclusive em abordagens moleculares, é a necessidade de sintetizar o conhecimento acerca dos organismos em uma forma operativa-comparativa, ou seja, estabelecer homologias. A abordagem comparada está baseada no princípio de que estruturas homólogas são formas alternativas que possuem ancestralidade comum (mesma origem evolutiva). Em análises moleculares baseadas em sequências (análises clássicas), esta questão se relaciona ao alinhamento das bases

Evolução dos Metazoa

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nucleotídicas de sequências distintas. Neste ponto residem abordagens concorrentes nas inferências filogenéticas do grupo dos metazoários que podem ser divididas em análises com homologias estáticas (tradicional) e análises com homologias dinâmicas. No modo tradicional, realizado na maioria dos estudos atuais, os alinhamentos separam a determinação de correspondência histórica das bases (homologia) e seu uso na determinação de topologias filogenéticas (sinapomorfias). Entretanto, do ponto de vista operacional, esta é uma abordagem tautológica, em que alinhamentos são dependentes de topologias e vice-versa, ambos buscando hipóteses mais parcimoniosas, mas funcionando como etapas estanques (GIRIBET &WHEELER 1999, PHILLIPS 2006). Em suma, os estudos clássicos de homologia de sequências não testam todas as possíveis relações de homologia entre as partes estudadas para construção da árvore, porque elas são previamente definidas e não iluminadas iterativamente na própria análise. Uma alternativa para a abordagem clássica em inferências filogenéticas baseadas em sequências são as propostas recentes de estudos de homologia dinâmica (WHEELER 1996, 2007). Estas propostas eliminam o conceito básico de homologia primária e secundária, estático, gerando uma busca mais sofisticada de homologia (hipóteses alternativas) durante a reconstrução genealógica, sendo obtidas topologias ótimas (baseadas no critério de parcimônia) que definem as propostas de homologias para o conjunto de dados-hipóteses. Esta linha de pesquisa esbarra em questões cotidianas, como o tratamento algorítmico de grandes volumes de dados (seja de terminais, seja de caracteres). Entretanto, a viabilidade de implementação algorítmica não deve ser um cavalo-de-troia para desconsiderar a lógica elegante que consubstancia estas análises. Dificuldades de análises com grandes conjuntos de dados são aspectos operacionais importantes, mas não podem ser compreendidos como entraves teóricos.

Estudos moleculares – estudos em filogenômica As análises filogenéticas baseadas em dados genômicos (mitocondrial e nuclear) podem ser divididas basicamente em dois grupos: estudos baseados em sequências (similares aos estudos “clássicos”) e estudos baseados em propriedades exclusivas dos genomas, propriedades estas tais como ordem e número de genes. Historicamente, estudos evolutivos em genômica mitocondrial (ou mitogenômica) foram o primeiro passo em análises sistemáticas de matrizes moleculares de maior porte para os Metazoa. Inicialmente, estes estudos consideraram a organização gênica como fonte de caracteres para os estudos filogenéticos (BOORE & BROWN 1998, BOORE 1999, CUROLE & KOCHER 1999) e, posteriormente, passaram a considerar as sequências nucleotídicas de diversos genes (e.g., DELLAPORTA et al. 2006). Os estudos em mitogenômica marcam uma “transição” das análises baseadas em “poucos marcadores moleculares” para análises baseadas em informação de genomas mitocondriais (mitogenômica) e nucleares (filogenômica). Embora usada para inferências no nível de grandes grupos, a “sistemática mitogenômica” se aproxima cada vez mais também dos estudos no nível de grupos menos inclusivos (e.g., MEDINA et al. 2006 em Scleractinia). Em princípio, sua utilização permite não somente hipóteses genealógicas baseadas em sequências nucleotídicas codificantes, como também uma fonte de informação sobre a evolução da arquitetura do genoma mitocondrial animal. Nessa perspectiva, uma segunda etapa nas inferências para determinar a filogenia dos Metazoa pode ser considerada a partir de 2004 (WOLF et al. 2004) e 2005 (PHILIPPE et al. 2005b). Estas novas inferências foram resultados de análises evolutivas baseadas em dados

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gerados pelos projetos de genômica nuclear e de expressão gênica EST (Expressed Sequenced Tags) nos Metazoa, hoje chamada de filogenômica animal (para revisão ver PHILIPPE et al. 2005a, DESALLE 2005). Em termos práticos, o ponto inicial dos estudos filogenômicos de sequências é o mesmo de qualquer análise sistemática molecular moderna: o estabelecimento da ortologia das sequências e da homologia dos caracteres (no caso, as bases nucleotídicas). Este passo, nestes estudos, inicia-se a partir de um grande número de sequências provenientes de projetos de genômica total ou de expressão gênica (bibliotecas de cDNA de mRNAs). Existem duas estratégias básicas na seleção dos caracteres-alvo a serem utilizados na análise. A primeira estratégia consiste em uma análise das sequências a serem utilizadas para os estudos visando o estabelecimento dos genes ortólogos e os alinhamentos (homologia) necessários para definir a matriz de dados. Esta análise pressupõe, segundo critérios estabelecidos pelo pesquisador, parâmetros ótimos em relação a potenciais fontes de erros como, por exemplo, paralogias e alto número de missing data (e.g., DUNN et al. 2008). Há, portanto, descarte dos dados que não se enquadram nestes parâmetros ótimos. A segunda estratégia adota uma base de dados de ESTs “adequados” e pré-estabelecidos, a qual pode ser uma composição de genes de diversas espécies em um nível supra-específico. Esta composição visa novamente contornar problemas relacionados a dados impróprios, como aqueles com excesso de missing data (PHILIPPE et al. 2005b, DELSUC et al. 2005). Evidentemente, estas diferenças na adoção de estratégias e de critérios geram matrizes de dados moleculares diferentes em cada análise (ROEDING et al. 2007, DUNN et al. 2008). Assim, a comparação direta ou a soma de bases de dados diferentes não é possível devido às diferenças no número dos terminais e à seleção dos caracteres utilizados em cada estudo (Figura 1).

DUNN et al. 2008 150 genes 77 espécies

PHILIPPE et al. 2008 146 genes 49 espécies

44

2 3

16

ROCAS et al. 2003 43 genes 15 espécies Figura 1. Diagrama de Venn destacando os três principais estudos sistemáticos modernos para Metazoa, utilizando filogenômica. Os valores nas intersecções dos círculos correspondem ao número de genes compartilhados entre as análises (modificado de DUNN et al. 2008).

Evolução dos Metazoa

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As propriedades dos genomas que são utilizadas como informações para os estudos filogenômicos, ou seja, que são interpretadas como caracteres potenciais para análise, correspondem ao conteúdo (i.e., repertório de genes), ordem (i.e., posição dos genes) e distribuição de oligonucleotídeos particulares nos genomas (DNA strings; até hoje não utilizados em estudos com Metazoa). Comparativamente, os “tradicionais” genes ribossomais, que ainda dominam os estudos sobre inferências evolutivas nos Metazoa (e.g., MEDINA et al. 2001), possuem características qualitativas e quantitativas muito diferentes dos dados moleculares genômicos e de ESTs (LI et al. 2007), uma vez que suas informações: 1) não definem as propriedades fenotípicas dos organismos de maneira específica; 2) não apresentam paralogia; 3) não são sequências codificantes de proteínas; 4) as bases de dados para um grupo ou estudo podem ser combinadas facilmente com outros dados em estudos similares. Em contraparte, os genomas e ESTs possuem: 1) informação de regiões codificantes (éxons) que definem as propriedades básicas dos fenótipos, de maneira específica, nos organismos; 2) regiões nãocodificantes (e.g., íntrons e oligonucleotídeos) que são utilizadas na abordagem filogenômica; 3) propriedades estruturais resultantes de processos históricos (e.g., perda ou duplicação gênica) que provêm informações únicas em relação aos outros dados moleculares. Assim como na mitogenômica, essa abordagem começa a ser utilizada também em estudos filogenômicos de sequências para grupos mais restritos (e.g., HUGUES et al. 2006, STEINKE et al. 2006, LI et al. 2007, KULLBERG et al. 2008). Em termos gerais, os estudos em filogenômica na área de evolução de Metazoa vêm crescendo exponencialmente em termos mundiais, contando com grande impacto na literatura especializada, e ajudando a desvendar questões importantes do tema (Tabela 1).

Em busca da filogenia perdida... Há cerca de dez anos, a área de estudos em filogenia animal passou por uma profunda revisão. Grande parte deste impulso veio de dados moleculares até então ignorados. Foi baseado em sequências ribossomais que o estudo de HALANYCH et al. (1995) e, especialmente, o de AGUINALDO et al. (1997), propuseram uma nova perspectiva para a compreensão da evolução animal, padrão este que vem sendo sucessivamente corroborado em diversas análises subsequentes com o mesmo tipo de dados (e.g., MALLATT & GIRIBET 2006). Ademais, ao migrar dos estudos baseados em sequências para os estudos baseados em genômica, que seriam novas fontes de informação e hipóteses filogenéticas, percebe-se que os grandes grupos presentes na proposta da “nova filogenia animal” continuam sendo suportados (e.g., PHILIPPE et al. 2005b). Alguns exemplos abrangentes, porém não únicos, de topologias recentes (Figura 2) são HALANYCH (2004) e GIRIBET et al. (2007). Em termos mínimos, essa nova filogenia animal apresenta, inequivocamente, o monofiletismo de Metazoa e Bilateria. Dentre os Bilateria, há uma aceitação grande, porém não absoluta, da existência dos tradicionais táxons Protostomia e Deuterostomia (PHILIPPE et al. 2007). Os animais protostomados, por sua vez, seriam divididos nos Lophotrochozoa (utilizado algumas vezes como sinônimo de Spiralia, ver GIRIBET et al. 2007) e Ecdysozoa. Em termos históricos, este padrão (Lophotrochozoa X Ecdysozoa) contradiz grupos clássicos, como por exemplo, os Articulata (Figura 2). Assim, em um século, as propostas evolutivas dos Metazoa saíram de interpretações subjetivas de características morfológicas em um contexto gradista para análises mais abrangentes, cujos padrões são intensamente debatidos (e.g., ROKAS et al. 2003, WOLF et al. 2004, PHILIPPE et al. 2005b, IRIMIA et al. 2007, ROGOZIN et al. 2007).

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ESTADO DA ARTE E PERSPECTIVAS PARA A ZOOLOGIA NO BRASIL Choanoflagellata Porifera (7.000) Placozoa (~5)*** Ctenophora (90) Cnidaria (11.000) Acoela (13) Nemertodermatida (9) Metazoa

Deuterostomia Bilateria

Vertebrata (51.400) Urochordata (3.100) Cephalochordata (28) Hemichordata (92)* Echinodermata (7.000) Xenoturbellida (1)** Chaetognatha (125)

Ecdysozoa Protostomia

Lophotrochozoa

Loricifera (10) Kinorhyncha (150) Priapulida (16) Nematoda (25.000) Nematomorpha (320) Onychophora (90) Tardigrada (800) Arthropoda (1.100.000) Bryozoa (5.500) Platyhelminthes (12.200) Gastrotricha (500) Rotifera (2.000) Gnathostomulida (100) Micrognathozoa (1)* Myzostomida (170)* Cycliophora (1) Entoprocta (150) Nemertea (1.150) Phoronida (20) Brachiopoda (355) Mollusca (100.000) Annelida (15.000) Sipuncula (150)

Figura 2. Filogenias “consenso” dos Metazoa. À esquerda, árvore modificada de GIRIBET et al. (2007), e à direita, árvore modificada de HALANYCH (2004). Os pontos nos nós destacam diferenças filogenéticas entre as árvores; os ramos de linha tracejada representam grupos de monofiletismo duvidoso. Os números entre parênteses indicam o total estimado de espécies conhecidas para os táxons. *GRZIMEK’S (2003); ** BOURLAT et al. (2006); *** SIGNOROVITCH et al. (2007).

Com relação à origem dos Metazoa, cuja importância reside na compreensão da otimização dos primeiros estados de caracteres animais e no encontro de um grupo taxonômico adequado para enraizar a filogenia animal, um grande progresso foi observado. Os resultados corroboram que os Choanoflagellata são o grupo irmão dos Metazoa e grandes avanços são observados no estudo das relações históricas dos Opisthokonta, estudos estes baseados em diversos grupos com diferentes fontes de dados moleculares (e.g., MEDINA et al. 2003, RUIZ-TRILLO et al. 2008). A partir do estabelecimento dos Metazoa, o primeiro grande desafio que se impõe é propor hipóteses de relacionamento filogenético entre os grupos basais animais. Os pontos básicos são que: 1) Placozoa não são cnidários e sim um filo próprio, com diversas caracte-

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rísticas particulares como a presença de um genoma mitocondrial complexo e reprodução sexual (ENDER & SCHIERWATER 2003, SIGNOROVITCH et al. 2005); 2) há indicações que Porifera seja um grupo parafilético; e 3) a resolução das relações basais de Metazoa, no que se refere à posição de Cnidaria, Ctenophora, Placozoa, grupos de Porifera e Bilateria é incerta e ainda bastante complexa (ver NIELSEN 2008 para uma revisão). Até o momento, os terminais analisados não permitem determinar inequivocamente as relações internas entre principais grupos dos Metazoa. Indefinições são encontradas na base dos Bilateria, incluindo o posicionamento dos táxons Acoela e Nemertodermatida (RUIZ-TRILLO et al. 1999, RUIZ-TRILLO et al. 2002, WALLBERG et al. 2007) e na base dos Protostomia, em especial com referência à posição de Chaetognatha (MATUS et al. 2006). O ícone da retomada em estudos evolutivos nos Metazoa é, sem dúvida, o táxon Ecdysozoa, e a sua contraparte, os Lophotrochozoa. Além de sua corroboração em estudos subsequentes, a proposta dos Ecdysozoa é um exemplo de como topologias alternativas iluminam a compreensão de todos os aspectos biológicos, permitindo uma reavaliação de homologias e o restabelecimento de sinapomorfias. Entre os aspectos biológicos revisitados após a proposta de Ecdysozoa e Lophotrochozoa, estão morfologia, fisiologia, ciclo de vida, desenvolvimento, evolução individual de famílias gênicas e dados de genômica comparativa (e.g., ERBER et al. 1998, VALENTINE & COLLINS 2000, RUIZ-T RILLO et al. 2002, HENRY et al. 2007, LAMBERT 2008). No caso dos Deuterostomia, sua constituição é relativamente estável, embora ainda seja discutida a antiga questão acerca das relações filogenéticas dos Urochordata e Cephalochordata em consideração aos vertebrados (BOURLAT et al. 2006, PHILIPPE et al. 2007). Com a intensificação das investigações na área de evolução animal, propostas interessantes também têm surgido, incluindo grupos de morfologia única e com baixa riqueza de espécies. Este é o caso de Buddenbrockia, atualmente reconhecido como uma espécie de cnidário (J IMENEZ -G URI et al. 2007). Na mesma toada, estas investigações testam o monofiletismo e buscam as relações de grupos propostos mais recentemente, tais como Xenoturbellida (eventualmente na base dos Deuterostomia, PERSEKE et al. 2007), Placozoa (ver acima), Loricifera, Cycliophora e Micrognathozoa (KRISTENSEN 2002, BOURLAT et al. 2006). Estes estudos, além de incluírem componentes importantes da filogenia animal, iluminam a evolução de grupos com características biológicas de difícil interpretação histórica. O avanço da sistemática fez com que haja informações moleculares para praticamente todos os filos animais hoje reconhecidos, sejam estas informações de marcadores “clássicos” (e.g., 18S e 28S) ou genômicos. Em termos ideais, seria excelente se uma topologia básica, com poucas politomias, fosse suportada por diferentes fontes de dados e terminais. O acúmulo de dados e análises, entretanto, não trouxe ainda uma topologia “consenso” robusta e resolvida. As incertezas das análises levam alguns autores a buscarem soluções mínimas em topologias que excluam determinados grupos. Embora válida para gerar uma hipótese de trabalho, esta atitude posterga o desafio maior da evolução animal, que é uma compreensão ampla de como as formas animais evoluíram. De certa forma, a estabilidade gerada pela eliminação destes grupos taxonômicos conflitantes é justamente o fator indesejado no quebra-cabeça, uma vez que também são retiradas da comparação as conexões e transformações complexas e pouco evidentes dos sistemas. Um exemplo recente nesta linha de pesquisa foi apresentado por DUNN et al. (2008) (Figura 3), na qual grupos que geravam acentuada instabilidade topológica nos estudos evolutivos dos Metazoa (e.g., Bryozoa, Cycliophora, Entoprocta, Rotifera e Myzostomida) foram desconsiderados nas conclusões principais.

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Choanoflagellata Ctenophora (2) Porifera (1) Cnidaria (5) Metazoa Deuterostomia Bilateria

Ecdysozoa

Chordata (4) Hemichordata (2) Echinodermata (2) Xenoturbellida (1)

Kinorhyncha (1) Priapulida (1) Nematoda (2) Nematomorpha (1) Tardigrada (2) Onychophora (1) Arthropoda (9)

Protostomia Platyhelminthes (5) Mollusca (8) Lophotrochozoa Brachiopoda (1) Phoronida (1) Nemertea (2) Annelida (5) + Sipuncula (1) + Echiura (1)

Figura 3. Filogenia dos Metazoa, baseada nos principais resultados do trabalho de DUNN et al. (2008, modificado). Os números entre parênteses indicam o número de espécies presentes na análise para esse grupo, sendo um total de 58 espécies de Metazoa; os grupos excluídos por DUNN et al. (2008) na filogenia são Acoela (2 espécies), Bryozoa (2 espécies), Chaetognatha (2 espécies), Entoprocta, Gastrotricha, Gnathostomulida, Myzostomida e Rotifera (2 espécies), totalizando 13 espécies eliminadas. Os pontos nos nós destacam diferenças filogenéticas com as árvores da figura 2; o ramo de linha tracejada (Porifera) representa monofiletismo duvidoso.

Assim, embora seja evidente que muito foi feito, identificar de forma clara as características do ancestral comum mais recente para os Metazoa e as relações entre os metazoários como um todo, fundamentais para qualquer estudo de mapeamento e polarização da evolução animal, continuam sendo intensa fonte de debate (MARTINDALE 2005, RYAN & BAXEVANIS 2007, SCHIERWATER & DESALLE 2007, NIELSEN 2008). Uma contribuição importante em questões sobre a evolução dos grandes grupos animais foi aportada por estudos de evo-devo (“evolution & development”), dentro da grande área da biologia do desenvolvimento, que permite integrar aspectos dos “universos” genotípicos e fenotípicos. Esta área de estudo gera novas reflexões sobre homologia e a relação entre mecanismos e processos evolutivos (JENNER 2000, WAGNER 2007). O último desafio que se descortina ante os biólogos evolutivos é o uso dos diferentes aportes de informações em compreensões integradas. Nesse respeito, há algumas abordagens para a integração de morfologia (neontologia e paleontologia), dados moleculares

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tradicionais e de desenvolvimento (atuais fontes de dados em evo-devo), que podem ser divididas em quatro aproximações. 1) Aproximação “independente”: as fontes de informação clássicas (morfológicas) determinam hipóteses filogenéticas e classificações. Marcadores neutros (e.g., 16S, 28S) podem testar essas hipóteses de filogenia, uma vez que as propriedades morfológicas dos organismos não são definidas pelo produto desses genes. Dados morfológicos e moleculares do desenvolvimento são discutidos (mapeados) na filogenia obtida. 2) Aproximação “ontogenética”: dados de desenvolvimento são definidos (codificados) como séries de pares (“event pairing”) para determinar as sequências mais parcimoniosas no processo ontogenético estudado (e.g., determinação de heterocronias). 3) Aproximação genética do “processo”: numerosos estudos moleculares estão sendo feitos com sequências de genes do desenvolvimento (reguladores ou que participam ativamente). Isso ocorre especialmente para estudos de relações entre grandes grupos, em que os marcadores tradicionais não permitem obter hipóteses bem definidas. 4) Aproximação combinada: operacionalmente complexa e ainda pouco utilizada. A limitação de uso desta abordagem reside em estabelecer parâmetros analíticos universais e não-conflitivos sob o ponto de vista epistemológico e operacional. Exemplos neste sentido podem ser vistos em análise de “supertrees”, a qual busca padrões de ordem geral em detrimento das premissas iniciais de cada fonte de dados. Embora indicativos, cremos que a maioria dos resultados publicados nos últimos anos (e.g., DUNN et al. 2008, RUIZ-TRILLO et al. 2008) deva ser tomada com prudência. O contraste de topologias meramente moleculares com características não-moleculares de animais recentes e fósseis continua a ser a melhor forma de testar as topologias e o suporte dos grupos encontrados.

Diagnóstico sobre os estudos de evolução dos Metazoa no Brasil No contexto nacional, não há estudos que abordem a filogenia dos Metazoa como um todo, ou ao menos foquem uma substancial parte do grupo. Mesmo os estudos que abordam aspectos mais restritos da evolução animal de grandes grupos são raros. Estudos utilizando a morfologia de animais fósseis ou recentes no nível de filogenia de grandes grupos são raros no país. Em geral, estes estudos focam dados secundários da literatura em re-análises de clados restritos. Exemplos destes estudos são restritos ao grupo de pesquisa de Martin L. Christoffersen, na Universidade Federal da Paraíba (e.g., MOURA & CHRISTOFFERSEN 1996, ALMEIDA & CHRISTOFFERSEN 2001, ALMEIDA et al. 2003). Grupos de pesquisa em genética do desenvolvimento com uma abordagem macroevolutiva são poucos (e.g., SIMÕES-COSTA et al. 2005, XAVIER-NETO et al. 2007), e estudos com análise de sequências de DNA se referem, no máximo, à inserção filogenética de determinado clado na evolução dos Metazoa (e.g., BRITTO DA SILVA et al. 2007 para o posicionamento filogenético de Placozoa usando DNA 18S e 28S). Isso, entretanto, não é justificável do ponto de vista estratégico, uma vez que o país tem base logística, de conhecimento e de pessoal para conduzir este tipo de estudos. Por fim, a despeito do crescimento mundial, não há estudos em filogenômica com autores brasileiros. Mesmo em termos mundiais, há poucos grupos trabalhando na área, seja produzindo metodologia ou dados comparados. Esta configuração causa uma concentração de autores e bases de dados e, consequentemente, um enviesamento dos padrões filogenéticos encontrados. Concluindo, o diagnóstico atual desta área de pesquisa no país é crítico, sendo a produção dos últimos dez anos quase nula.

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Diretrizes para os próximos 10 anos Onde quase nada existe, quase tudo precisa ser construído. Este é o panorama atual da linha de pesquisa de Evolução de Metazoa no país. A área de reconstrução filogenética dos animais continua sendo fonte de intenso debate na sistemática do século XXI. Em termos mundiais, foi necessário o amadurecimento das bases teóricas (e.g., homologia dinâmica), dos métodos (e.g., análise Bayesiana), softwares (implementação paralelizada de algoritmos), novos dados (genômica e ultraestrutura) e até equipamentos computacionais (clusters) para galgar resolver os novos desafios analíticos relacionados às matrizes de dados complexas (DESALLE 2005, HODKINSON & PARNELL 2007, ZHOU et al. 2007). O que se observa é que, nesta área de estudo, o Brasil encontra-se fora do panorama mundial em termos de produção de novos dados, de análises e de publicações. Se tomarmos outros exemplos desta área de pesquisa, ainda na última década, diversos programas de agências de fomento foram desenhados visando à formação de consórcios de pesquisa para investigar filogenias mais abrangentes (e.g., US National Science Foundation “Assembling the Tree of Life” e Deutsche Forschungsgemeinschaft “Deep Metazoan Phylogeny”) (CRACRAFT & DONOGHUE 2004, GIRIBET et al. 2007, RUIZ-TRILLO et al. 2007). Há, inclusive, a participação de alguns brasileiros em alguns destes grupos de pesquisa (e.g., Cnidaria, Protostomia). É evidente que a condução de linhas de pesquisa mais amplas não pode ser restrita a um único país, sob pena de não haver recursos ou especialidade suficiente em temas de interesse mundial. A consecução destes programas deve ser parte de consórcios internacionais, pela complexidade na obtenção dos dados a serem utilizados nas análises. Neste respeito, como geralmente ocorre, o Brasil é um país privilegiado, pela facilidade de acesso à sua biodiversidade, mas ainda tem muito a fazer na parte logística, a saber: 1. Em primeiro lugar, a fauna brasileira precisa ser melhor investigada, uma vez que há filos inteiros que ainda não foram registrados em nosso país (M ARQUES & LAMAS 2006, MIGOTTO & MARQUES 2006). 2. A investigação desta fauna demanda a formação de especialistas em taxonomia nos mais diversos grupos (MARQUES & LAMAS, 2006). 3. A conservação deste patrimônio natural tem que ser garantida e alicerçada, seja in situ (parques e reservas) e ex situ (museus de coleções zoológicas com estruturas para armazenagem de tecidos). 4. Deve haver condições logísticas (laboratórios moleculares, de ultra-estrutura, computacionais), bem como de pessoal capacitado a utilizar os mesmos. 5. Projetos que promovam a integração de grupos com abordagens diferentes no estudo da biologia animal (e.g., taxonomia, genética do desenvolvimento, fisiologia).

AGRADECIMENTOS Sabrina Baroni, pelas correções e sugestões no manuscrito. MMM é bolsista de doutorado da FAPESP. ACM tem auxílio à pesquisa da FAPESP e do CNPq, além de ser bolsista de produtividade do CNPq.

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ESTADO DA ARTE E PERSPECTIVAS PARA A ZOOLOGIA NO BRASIL

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