1.2: Uma abordagem sistemática

Objetivos de aprendizagem

• Descreva como os microrganismos são classificados e diferenciados como espécies únicas
• Compare os sistemas históricos e atuais de taxonomia usados para classificar microrganismos

Quando os micróbios se tornaram visíveis para os humanos com a ajuda de microscópios, os cientistas começaram a perceber sua enorme diversidade. Os microrganismos variam de várias maneiras, incluindo seu tamanho, aparência e taxas de reprodução. Para estudar essa nova variedade incrivelmente diversa de organismos, os pesquisadores precisavam de uma forma de organizá-los sistematicamente.

A ciência da taxonomia

Taxonomia é a classificação, descrição, identificação e nomenclatura de organismos vivos. Classificação é a prática de organizar organismos em diferentes grupos com base em suas características compartilhadas. O taxonomista inicial mais famoso foi um botânico, zoólogo e médico sueco chamado Carolus Linnaeus (1701—1778). Em 1735, Linnaeus publicou Systema Naturae, um livreto de 11 páginas no qual ele propôs a taxonomia linnaeana, um sistema de categorização e nomeação de organismos usando um formato padrão para que os cientistas pudessem discutir organismos usando terminologia consistente. Ele continuou revisando e acrescentando ao livro, que se transformou em vários volumes (Figura\(\PageIndex{1}\)).

Figura\(\PageIndex{1}\): O botânico, zoólogo e médico sueco Carolus Linnaeus desenvolveu um novo sistema para categorizar plantas e animais. Neste retrato de 1853 de Hendrik Hollander, Linnaeus está segurando uma flor gêmea, chamada Linnaea borealis em sua homenagem.

Em sua taxonomia, Linnaeus dividiu o mundo natural em três reinos: animal, vegetal e mineral (o reino mineral foi posteriormente abandonado). Dentro dos reinos animal e vegetal, ele agrupou organismos usando uma hierarquia de níveis e subníveis cada vez mais específicos com base em suas semelhanças. Os nomes dos níveis na taxonomia original de Linnaeus eram reino, classe, ordem, família, gênero (plural: gêneros) e espécies. A espécie foi, e continua sendo, a unidade taxonômica mais específica e básica.

Árvores da vida em evolução (filogenias)

Com os avanços da tecnologia, outros cientistas gradualmente aprimoraram o sistema Linnaeano e, eventualmente, criaram novos sistemas para classificar organismos. Em 1800, havia um interesse crescente em desenvolver taxonomias que levassem em conta as relações evolutivas, ou filogenias, de todas as diferentes espécies de organismos na Terra. Uma forma de descrever essas relações é por meio de um diagrama chamado árvore filogenética (ou árvore da vida). Nesses diagramas, grupos de organismos são organizados de acordo com o quão intimamente relacionados eles são considerados. Nas primeiras árvores filogenéticas, o parentesco dos organismos era inferido por suas semelhanças visíveis, como a presença ou ausência de pêlos ou o número de membros. Agora, a análise é mais complicada. Hoje, as análises filogenicas incluem comparações genéticas, bioquímicas e embriológicas, como será discutido mais adiante neste capítulo.

A árvore da vida de Linnaeus continha apenas dois ramos principais para todos os seres vivos: os reinos animal e vegetal. Em 1866, Ernst Haeckel, biólogo, filósofo e médico alemão, propôs outro reino, Protista, para organismos unicelulares (Figura\(\PageIndex{2}\)). Posteriormente, ele propôs um quarto reino, Monera, para organismos unicelulares cujas células não possuem núcleos, como bactérias.

Figura\(\PageIndex{2}\): A representação de Ernst Haeckel da árvore da vida, de seu livro de 1866, Morfologia Geral dos Organismos, continha três reinos: Plantae, Protista e Animalia. Mais tarde, ele adicionou um quarto reino, Monera, para organismos unicelulares sem núcleo.

Quase 100 anos depois, em 1969, o ecologista americano Robert Whittaker (1920—1980) propôs acrescentar outro reino — Fungi — à sua árvore da vida. A árvore de Whittaker também continha um nível de categorização acima do nível do reino - o nível do império ou do super-reino - para distinguir entre organismos que têm núcleos ligados à membrana em suas células (eucariotos) e aqueles que não têm (procariontes). Empire Prokaryota continha apenas o Reino Monera. O Império Eukaryota continha os outros quatro reinos: Fungi, Protista, Plantae e Animalia. A árvore dos cinco reinos de Whittaker foi considerada a filogenia padrão por muitos anos.

A figura\(\PageIndex{3}\) mostra como a árvore da vida mudou ao longo do tempo. Observe que os vírus não são encontrados em nenhuma dessas árvores. Isso porque eles não são feitos de células e, portanto, é difícil determinar onde eles se encaixariam em uma árvore da vida.

Figura\(\PageIndex{3}\): Esta linha do tempo mostra como a forma da árvore da vida mudou ao longo dos séculos. Ainda hoje, a taxonomia dos organismos vivos está sendo continuamente reavaliada e refinada com os avanços da tecnologia.

Exercício\(\PageIndex{1}\)

Resuma brevemente como nossa compreensão evolutiva dos microrganismos contribuiu para mudanças na forma como os organismos são classificados.

Foco clínico: Parte 2

Os antibióticos são projetados especificamente para matar ou inibir o crescimento de bactérias. Mas depois de alguns dias tomando antibióticos, Cora não mostra sinais de melhora. Além disso, suas culturas de LCR voltaram do laboratório negativo. Como bactérias ou fungos não foram isolados da amostra de LCR de Cora, seu médico descarta a meningite bacteriana e fúngica. A meningite viral ainda é uma possibilidade.

No entanto, Cora agora relata alguns novos sintomas preocupantes. Ela está começando a ter dificuldade em andar. Sua rigidez muscular se espalhou do pescoço para o resto do corpo, e seus membros às vezes se sacudem involuntariamente. Além disso, os sintomas cognitivos de Cora estão piorando. Nesse ponto, o médico de Cora fica muito preocupado e solicita mais exames nas amostras do LCR.

Exercício\(\PageIndex{2}\)

Que tipos de microrganismos podem estar causando os sintomas de Cora?

O papel da genética na taxonomia moderna

As árvores de Haeckel e Whittaker apresentaram hipóteses sobre a filogenia de diferentes organismos com base em características facilmente observáveis. Mas o advento da genética molecular no final do século XX revelou outras formas de organizar as árvores filogenéticas. Os métodos genéticos permitem uma forma padronizada de comparar todos os organismos vivos sem depender de características observáveis que muitas vezes podem ser subjetivas. A taxonomia moderna depende muito da comparação dos ácidos nucléicos (ácido desoxirribonucléico [DNA] ou ácido ribonucléico [RNA]) ou proteínas de diferentes organismos. Quanto mais semelhantes forem os ácidos nucléicos e as proteínas entre dois organismos, mais intimamente relacionados eles são considerados.

Na década de 1970, o microbiologista americano Carl Woese descobriu o que parecia ser um “registro vivo” da evolução dos organismos. Ele e seu colaborador George Fox criaram uma árvore da vida baseada na genética baseada nas semelhanças e diferenças observadas na pequena subunidade de RNA ribossômico (rRNA) de diferentes organismos. No processo, eles descobriram que um certo tipo de bactéria, chamada arqueobactéria (agora conhecida simplesmente como archaea), era significativamente diferente de outras bactérias e eucariotos em termos da sequência da pequena subunidade rRNA. Para acomodar essa diferença, eles criaram uma árvore com três domínios acima do nível do Reino: Archaea, Bactéria e Eukarya (Figura\(\PageIndex{4}\)). A análise genética da pequena subunidade rRNA sugere que arquéias, bactérias e eucariotos evoluíram de um tipo comum de célula ancestral. A árvore é distorcida para mostrar uma relação evolutiva mais próxima entre Archaea e Eukarya do que com as bactérias.

Figura\(\PageIndex{4}\): Os cientistas continuam usando a análise de RNA, DNA e proteínas para determinar como os organismos estão relacionados. Uma descoberta interessante e complicadora é a da transferência horizontal de genes — quando um gene de uma espécie é absorvido pelo genoma de outro organismo. A transferência horizontal de genes é especialmente comum em microrganismos e pode dificultar a determinação de como os organismos estão relacionados evolutivamente. Consequentemente, alguns cientistas agora pensam em termos de “teias da vida” em vez de “árvores da vida”.

Exercício\(\PageIndex{3}\)

1. Na taxonomia moderna, como os cientistas determinam a proximidade de dois organismos?
2. Explique por que todos os galhos da “árvore da vida” se originam de um único “tronco”.

Nomeando micróbios

Ao desenvolver sua taxonomia, Linnaeus usou um sistema de nomenclatura binomial, um sistema de nomenclatura de duas palavras para identificar organismos por gênero e espécie. Por exemplo, os humanos modernos estão no gênero Homo e têm o nome da espécie sapiens, então seu nome científico na nomenclatura binomial é Homo sapiens. Na nomenclatura binomial, a parte do gênero do nome está sempre em maiúscula; é seguida pelo nome da espécie, que não está em maiúscula. Ambos os nomes estão em itálico.

Os nomes taxonômicos dos séculos 18 a 20 eram tipicamente derivados do latim, já que essa era a linguagem comum usada pelos cientistas quando os sistemas taxonômicos foram criados pela primeira vez. Hoje, organismos recém-descobertos podem receber nomes derivados do latim, grego ou inglês. Às vezes, esses nomes refletem alguma característica distintiva do organismo; em outros casos, os microrganismos são nomeados em homenagem aos cientistas que os descobriram. O arqueão Haloquadratum walsbyi é um exemplo desses dois esquemas de nomenclatura. O gênero, Haloquadratum, descreve o habitat de água salgada do microrganismo (halo é derivado da palavra grega para “sal”), bem como a disposição de suas células quadradas, que são organizadas em grupos quadrados de quatro células (quadratum significa “quarquadrado” em latim). A espécie, walsbyi, recebeu o nome de Anthony Edward Walsby, o microbiologista que descobriu o Haloquadratum walsbyi em 1980. Embora pareça mais fácil dar a um organismo um nome descritivo comum, como um pica-pau ruivo, podemos imaginar como isso pode se tornar problemático. O que acontece quando outra espécie de pica-pau com coloração vermelha é descoberta? A nomenclatura sistemática usada pelos cientistas elimina esse problema potencial ao atribuir a cada organismo um nome único e exclusivo de duas palavras, reconhecido por cientistas de todo o mundo.

Neste texto, normalmente abreviaremos o gênero e a espécie de um organismo após sua primeira menção. A forma abreviada é simplesmente a primeira inicial do gênero, seguida por um ponto e o nome completo da espécie. Por exemplo, a bactéria Escherichia coli é abreviada para E. coli em sua forma abreviada. Você também encontrará essa mesma convenção em outros textos científicos.

Manuais de Bergey

Seja em uma árvore ou em uma teia, os micróbios podem ser difíceis de identificar e classificar. Sem características macroscópicas facilmente observáveis, como penas, pés ou pelos, os cientistas devem capturar, cultivar e criar maneiras de estudar suas propriedades bioquímicas para diferenciar e classificar micróbios. Apesar desses obstáculos, um grupo de microbiologistas criou e atualizou um conjunto de manuais para identificar e classificar microrganismos. Publicado pela primeira vez em 1923 e, desde então, atualizado várias vezes, o Manual de Bacteriologia Determinativa de Bergey e o Manual de Bacteriologia Sistemática de Bergey são as referências padrão para identificar e classificar diferentes procariontes. (O Apêndice D deste livro didático é parcialmente baseado nos manuais de Bergey; ele mostra como os organismos que aparecem nesse livro didático são classificados.) Como muitas bactérias parecem idênticas, métodos baseados em características não visuais devem ser usados para identificá-las. Por exemplo, testes bioquímicos podem ser usados para identificar produtos químicos exclusivos de determinadas espécies. Da mesma forma, testes sorológicos podem ser usados para identificar anticorpos específicos que reagirão contra as proteínas encontradas em determinadas espécies. Em última análise, o sequenciamento de DNA e rRNA pode ser usado tanto para identificar uma espécie bacteriana específica quanto para classificar espécies recém-descobertas.

Exercício\(\PageIndex{4}\)

• O que é nomenclatura binomial e por que é uma ferramenta útil para nomear organismos?
• Explique por que um recurso como um dos manuais de Bergey seria útil na identificação de um microrganismo em uma amostra.

Mesmo nome, cepa diferente

Dentro de uma espécie de microrganismo, pode haver vários subtipos chamados cepas. Embora cepas diferentes possam ser quase idênticas geneticamente, elas podem ter atributos muito diferentes. A bactéria Escherichia coli é famosa por causar intoxicação alimentar e diarreia do viajante. No entanto, na verdade, existem muitas cepas diferentes de E. coli e elas variam em sua capacidade de causar doenças.

Uma cepa patogênica (causadora de doenças) de E. coli da qual você já deve ter ouvido falar é a E. coli O157:H7. Em humanos, a infecção por E. coli O157:H7 pode causar cólicas abdominais e diarreia. A infecção geralmente se origina de água ou alimentos contaminados, especialmente vegetais crus e carne mal cozida. Na década de 1990, houve vários grandes surtos de E. coli O157:H7 que se acredita terem se originado em hambúrgueres mal cozidos.

Embora a E. coli O157:H7 e algumas outras cepas tenham dado má fama à E. coli, a maioria das cepas de E. coli não causa doenças. Na verdade, alguns podem ser úteis. Diferentes cepas de E. coli encontradas naturalmente em nosso intestino nos ajudam a digerir nossos alimentos, fornecem alguns produtos químicos necessários e combatem micróbios patogênicos.

Resumo

• Carolus Linnaeus desenvolveu um sistema taxonômico para categorizar organismos em grupos relacionados.
• A nomenclatura binomial atribui aos organismos nomes científicos latinizados com uma designação de gênero e espécie.
• Uma árvore filogenética é uma forma de mostrar como diferentes organismos estão relacionados entre si do ponto de vista evolutivo.
• A primeira árvore filogenética continha reinos para plantas e animais; Ernst Haeckel propôs a adição de um reino para protistas.
• A árvore de Robert Whittaker continha cinco reinos: Animalia, Plantae, Protista, Fungi e Monera.
• Carl Woese usou RNA ribossômico de pequena subunidade para criar uma árvore filogenética que agrupa organismos em três domínios com base em sua semelhança genética.
• Os manuais de bacteriologia determinativa e sistêmica de Bergey são as referências padrão para identificar e classificar bactérias, respectivamente.
• As bactérias podem ser identificadas por meio de testes bioquímicos, análise de DNA/RNA e métodos de teste sorológico.

Glossário

nomenclatura binomial

uma convenção universal para a nomenclatura científica de organismos usando nomes latinizados para gêneros e espécies

eucarioto

um organismo composto por uma ou mais células que contêm um núcleo e organelas ligados à membrana

filogenia

a história evolutiva de um grupo de organismos

procariota

um organismo cuja estrutura celular não inclui um núcleo ligado à membrana

taxonomia

a classificação, descrição, identificação e nomenclatura de organismos vivos