lunes, 30 de enero de 2017

Taxonomía: la ciencia de clasificar

Una de las características más llamativas de la vida sobre la Tierra es su enorme diversidad. Es difícil hacer una estimación global de los tipos diferentes de seres vivos que podemos encontrar en nuestro planeta, aunque en la actualidad se calcula que puede haber unos diez millones de especies diferentes. En todo caso, estos cálculos son provisionales y están en continua revisión, porque en la actualidad se siguen descubriendo nuevas especies.
Diferentes estimaciones del número de especies de seres vivos.
Los estudiosos de los seres vivos siempre han tratado de ordenar esta diversidad, para lo cual han tratado de establecer sistemas de clasificación de los organismos. Clasificar consiste en descomponer adecuadamente los elementos de un conjunto, de modo que clasificar los organismos supone considerar que entre ellos existen características comunes.

Posiblemente uno de los primeros investigadores en establecer un sistema de clasificación de los seres vivos fue Aristóteles, Este autor distinguió tres tipos de seres vivos, plantas, animales y hombres, estableciendo varios subgrupos dentro de las dos primeras categorías. Evidentemente, la clasificación de Aristóteles no responde a criterios científicos actuales, pero aun así tiene gran importancia porque estableció la metodología para realizar cualquier tipo de clasificación.

En un sentido amplio, clasificar significa juntar elementos que son parecidos y separar las que son diferentes, es decir, agrupar objetos en clases según sus propiedades comunes. Para llevar a cabo una clasificación es necesario realizar ordenadamente tres procesos:
  1. Distinguir elementos de un conjunto según un criterio único e irrepetible. El criterio que se utiliza es una propiedad que presentan los diferentes elementos del conjunto y que puede variar entre ellos.
  2. Agrupar esos objetos en clases de acuerdo con sus semejanzas o por características relevantes que tienen en común y que intentan reconstruir las relaciones reales entre esos elementos en la naturaleza.
  3. Construir criterios de comparación entre esos elementos.
Un mismo sistema de elementos puede ser clasificado de múltiples formas, en función del criterio de clasificación que se utilice. Sin embargo, todas las clasificaciones correctas deben cumplir ciertas condiciones para que puedan considerarse válidas:
  • Deben ser completas, es decir, deben expresar todas las partes posibles de acuerdo con el criterio que se ha utilizado. Dicho de otra forma, la suma de todas las partes debe ser igual al conjunto que se está clasificando.
  • Sus partes deben ser irreductibles entre sí, lo que significa que cada subconjunto debe excluir a los demás, sin intersecciones entre ellos.
  • El criterio de clasificación no debe cambiar; las partes tienen que ser diferentes entre sí para una misma propiedad.
  • El ámbito de los elementos debe estar bien definido. Esto significa que los elementos deben estar claramente incluidos en el conjunto al que pertenecen, sin ambigüedades.
  • Cada categoría debe incluir al menos un elemento.

Además, las clasificaciones que se utilizan en una ciencia concreta deben ser "naturales". Esto significa que la clasificación debe adaptarse a las características de esa ciencia. Los conceptos que constituyen los criterios de clasificación son, en este sentido, científicamente "fecundos", lo que significa que permiten formular leyes más generales, más precisas o con más poder explicativo o predictivo que otros conceptos.

La clasificación en Biología

La parte de la Biología que se encarga de estudiar las relaciones entre los seres vivos y de organizarlos es la Sistemática. Dentro de ella, la Taxonomía se encarga de proporcionar los principios y procedimientos para elaborar una clasificación.

La primera clasificación de los seres vivos elaborada con criterios científicos fue propuesta por Carl von Linné, más conocido como Linneo. En su obra Systema Naturae, Linneo estableció un sistema de clasificación jerárquico, es decir, en el cual cada clase estaba formada por subclases de menor rango, esquema repetido en varios niveles. Cada uno de los grupos que se obtienen al clasificar se denomina taxón, de modo que podríamos decir que un taxón es un conjunto de organismos diferentes entre sí, pero que tienen en común características biológicas significativas que los diferencian del resto de los organismos. Las características que permiten identificar un taxón y diferenciarlo de los demás se denominan caracteres diagnósticos.

El taxón básico, el que se considera unitario desde el punto de vista de la Biología, es la especie, y el que Linneo consideró como más amplio es el reino, aunque actualmente se ha incluido una categoría más amplia, el dominio.

Con el paso del tiempo se han ido modificando bastantes aspectos de la clasificación de Linneo: se ha revisado el encuadre taxonómico de muchas especies, y se han modificado taxones completos, incluso categorías taxonómicas. Sin embargo, los principios básicos del sistema se han mantenido y constituyen la base del estudio de la diversidad de los seres vivos.

Linneo diseño un sistema de clasificación altamente recursivo, en el que cada categoría se clasifica en otras de menor rango, proceso que se repite en varias ocasiones. Hay ocho categorías o niveles taxonómicos fundamentales, que son, de más amplia a más restringida, el dominio, el reino, el filum o tronco, la clase, el orden, la familia, la tribu, el género y la especie,  aunque frecuentemente se pueden subdividir en otros niveles intermedios. 

La especie es la categoría fundamental y básica, y aunque existen denominaciones particulares para designar a grupos más pequeños como la variedad, la raza o la cepa, lo cierto es que estos nombres no tienen categoría taxonómica, lo que equivale a decir que su uso no tiene sentido biológico, ya que esos organismos, aunque sean aparentemente diferentes entre sí, pueden intercambiar su material genético sin restricciones, lo que puede dar lugar a que se diluyan esas diferencias. 

Linneo también estableció un sistema para dar nombres universales a todos los organismos, que se mantiene en la actualidad y que se conoce como nomenclatura binomial (o binominal) porque está siempre formado por dos palabras: el nombre del género y el nombre de la especie. Los nombres científicos se escriben siempre en latín, y se destacan del resto del texto, generalmente escribiéndolos con letra cursiva y/o negrita y subrayándolos. En ocasiones, tras el nombre científico de una especie se indica una abreviatura o un apellido que indica quién fue la primera persona en describirla.

Los cambios que ha ido sufriendo con el tiempo el sistema linneano se deben a diferentes causas, como el descubrimiento de nuevos organismos, ciertos cambios en los criterios de clasificación y, sobre todo, a la necesidad de conjugar la taxonomía y la clasificación con la historia de los organismos

Linneo estableció su clasificación sin tener en cuenta la evolución de los seres vivos, una idea que no era aceptada en su época. Los criterios de clasificación que utilizó reflejaban el parecido aparente entre los organismos, pero no necesariamente sus relaciones evolutivas (filogenéticas).

La aceptación de la teoría de la evolución supuso la necesidad de reflejar esas relaciones de parentesco entre los organismos, a la vez que planteó el problema, aún no totalmente resuelto, de incluir en el sistema taxonómico la dimensión temporal, es decir, de clasificar grupos de organismos que en la actualidad se encuentran extinguidos y que son antepasados comunes de taxones diferentes. Así pues, en la actualidad se considera que para que la clasificación sea "natural" los grupos que la constituyen deben reflejar las relaciones evolutivas entre los organismos.
Esto supone una dificultad a la hora de seleccionar las características que pueden utilizarse como criterios de clasificación, ya que el hecho de que dos organismos se parezcan puede deberse a dos causas distintas: Por una parte, cabe la posibilidad de que los dos organismos hayan evolucionado a partir de un antepasado común, del que hayan heredado las características que les hacen parecerse. Pero por otra parte también es posible que los dos organismos hayan evolucionado de forma paralela, desarrollando independientemente características parecidas como resultado de la adaptación a presiones selectivas parecidas. Este proceso recibe el nombre de evolución convergente, y las características similares no permiten elaborar una clasificación natural.

En Biología, los órganos parecidos pero que no tienen un origen común, sino que han adquirido el parecido mediante evolución convergente se denominan órganos análogos. Por el contrario, se denomina órganos homólogos a los que han evolucionado a partir de una misma estructura, divergiendo entre sí a lo largo del tiempo, hasta el punto de poder realizar funciones diferentes.

Podemos encontrar un ejemplo curioso de los problemas que suponen las analogías en el establecimiento de sistemas naturales de clasificación en una fábula de Esopo (XLVII), que habla de una guerra entre los cuadrúpedos y las aves, ubicando al murciélago en este último grupo. Sin embargo, el murciélago decide traicionar a sus aliados y pasarse al bando contrario. Al acabar la guerra con un pacto entre los dos ejércitos, ambos deciden castigar a los traidores haciéndoles perder las plumas.

Aparte de la moraleja, si observamos la fábula desde un punto de vista científico podemos apreciar que es un intento de dar una explicación mitológica a un problema de la naturaleza: murciélagos y aves comparten características comunes, como las alas, pero los murciélagos tienen otras características que los alejan de los pájaros y los aproximan a los mamíferos, como el pelo... Ante esa situación se opta por una de las dos características y se trata de explicar la diferencia mediante una causa, aunque, evidentemente, es una causa "ad hoc", es decir, inventada precisamente para eso.

La visión actual explicaría, por el contrario, que el pelo es una característica homóloga entre los murciélagos y el resto de los mamíferos, por lo que debe ser tenida en cuenta para establecer el encuadre taxonómico de esos organismos, mientras que las alas son una analogía entre los murciélagos y las aves, ya que han evolucionado paralela e independientemente en ambos grupos.

Aún es posible hacer una lectura un poco más compleja. En realidad, tanto las alas de los murciélagos como las de las aves han evolucionado a partir de un mismo órgano y presentan una misma estructura, el quiridio, por lo que resultan ser órganos homólogos. Sin embargo, se trata de una "homología ancestral", es decir, el último antepasado común a aves y murciélagos que presentaba la estructura a partir de las cuales se han originado sus respectivas alas vivió hace mucho tiempo, lo que ha permitido que luego evolucionen por separado. Las homologías ancestrales, como esta, solo permiten incluir a los organismos en grupos muy amplios, en este caso en el grupo de los tetrápodos, que no tiene categoría taxonómica pero que reúne a anfibios, reptiles, aves y mamíferos. La adaptación al vuelo de aves y murciélagos es una característica más reciente, y por lo tanto más importante para diferenciar a los dos grupos de seres vivos. Sin embargo, en este caso se trata de una analogía, porque ha evolucionado separadamente en los dos grupos. En resumen, se puede decir que el ala de aves y murciélagos representa una homología ancestral, en tanto que en ambos casos procede del quiridio primitivo, pero también una analogía derivada, porque la adaptación al vuelo es el resultado de evolución convergente.
La identificación de homologías no siempre es una tarea fácil. Para saber si una característica común a dos taxones es una homología o una analogía se suele recurrir a dos herramientas: por una parte, el registro fósil, que en muchos casos permite identificar antepasados comunes a dos grupos de organismos, y por otra parte la comparación de secuencias de ADN.

En última instancia, cada característica heredable de los seres vivos está codificada en su material genético. En el caso más simple, dos características homólogas han evolucionado a partir de un mismo gen. De este modo, una forma de saber si dos características son homólogas es tratar de comprobar si los genes que las determinan están relacionados. Esto no siempre resulta fácil, porque en muchas ocasiones la expresión de una característica está relacionada con varios genes diferentes, o simplemente porque en muchos casos no sabemos qué gen determina cada característica, pero si se logra identificar el gen que determina la característica es muy sencillo comprobar si la secuencia del ADN es parecida o no lo es, e incluso el grado de parecido que hay entre dos o más secuencias.

Una única mutación puede provocar que los dos alelos produzcan caracteres diferentes. Conforme va pasando el tiempo, los dos alelos primitivos pueden seguir mutando, divergiendo entre sí, de modo que las características que determinan son cada vez menos parecidas. Esto ofrece una excelente oportunidad para estimar el grado de parentesco entre dos taxones: podemos suponer que el número de mutaciones que se produce en una secuencia de ADN es proporcional al tiempo que hace que apareció, de modo que cuanto más diferentes sean dos secuencias parecidas entre sí, más tiempo hará que se separaron. Aunque tiene ciertas limitaciones (no todos los genes mutan a la misma velocidad, la relación entre número de mutaciones y tiempo no es estrictamente proporcional al tiempo...) esto permite establecer un "reloj molecular", un modo de medir el tiempo que hace que dos tipos de organismos se separaron de un antepasado común.
El estudio filogenético basado en la Biología molecular tiene, por tanto, los siguientes pasos: en primer lugar, se secuencian las moléculas que son equivalentes pero que aparecen en organismos diferentes. A continuación se identifican las diferencias, dato a partir del cual se puede deducir el árbol filogenético mediante algoritmos estadísticos. Por último, esos mismos algoritmos permiten estimar los periodos de divergencia.

Diversidad molecular e identificación de especies

La determinación e identificación de especies es un trabajo costoso y que requiere conocimientos muy profundos acerca de la biología de los grupos de organismos que se tratan de estudiar. Esto hace muy difíciles los estudios de identificación, así como el análisis in situ de la diversidad de los ecosistemas.

Sin embargo, recientemente se han desarrollado técnicas basadas en el estudio del ADN que facilitan la identificación de distintas especies a partir de una muestra. La metodología es denominada DNA barcoding porque utiliza determinadas secuencias de ADN como si fueran el código de barras de un producto comercial.

El fundamento de la técnica es el siguiente: todos los organismos de una especie presentan variabilidad genética, es decir, varían en su secuencia de ADN. Sin embargo, no todos los genes presentan la misma variabilidad; hay algunos, que suelen ser muy importantes para la supervivencia de los individuos. Esos genes, que suelen ser muy poco variables dentro de una misma especie, pero que pueden variar de una especie a otra, se utilizan como "marcadores", es decir, se usan como "patrones" con los que comparar el ADN de los individuos que se estudia.

Por lo tanto, en primer lugar se establece la secuencia de los genes marcadores que caracterizan una especie. En general se usan varios genes diferentes, de forma que se garantiza que cada especie tiene una combinación única de secuencia para ellos. Estas secuencias "consenso" se introducen en una base de datos que sirve de referencia.

Cuando se recoge un organismo que se desea identificar, se analiza la secuencia de los genes marcadores y se compara automáticamente con las secuencias almacenadas en la base de datos. Si se encuentra coincidencia con alguna de las especies almacenadas, el individuo se asigna a ella; si no hay coincidencia, el ejemplar se registra como una nueva especie y se incorpora a la base de datos, aunque el estudio se deba completar por métodos más tradicionales.
El DNA barcoding tiene también aplicaciones en el estudio de la diversidad de los ecosistemas. En este caso, se toma una muestra de los diferentes organismos que se encuentran en el ecosistema y se secuencia sus genomas. Luego se recuenta el número de genomas diferentes, identificados por comparación con los genes marcadores almacenados en la base de datos. De este modo se puede tener una estimación rápida del número de especies presentes.

3 comentarios:

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