Construção e interpretação de árvore filogenética usando modelo tridimensional

Na Base Nacional Comum Curricular (BNCC) estão descritas dez competências gerais que norteiam o desenvolvimento dos alunos na Educação Básica. O Ensino Médio é a última etapa desse processo, e a disciplina de Biologia está na área de conhecimento chamada Ciências da Natureza (Brasil, 2018).

No Novo Ensino Médio, a disciplina de Biologia é um dos itinerários formativos propostos na Base Nacional Comum Curricular (BNCC) para que os discentes cursem. Ao longo dessa disciplina, serão lecionados conceitos sobre genética e evolução, o que fornece uma oportunidade para desenvolver também os conceitos de filogenética, já que uma das competências específicas da área de Ciências da Natureza e suas tecnologias a ser desenvolvida pelos discentes é a de interpretar a dinâmica da vida e elaborar argumentos sobre o funcionamento da evolução dos seres vivos (Brasil, 2018).

De acordo com Munford e Lima (2007), o ensino por investigação precisa promover um ensino interativo; assim, ele já se torna uma forma importante que oportuniza que os alunos desenvolvam a interpretação de fatos e a elaboração de hipóteses e argumentos, que são competências a serem desenvolvidas, segundo a BNCC.

O estudo dos seres vivos com base na sistemática filogenética permite abordar esse tema de forma comparativa e, assim, estabelecer uma relação entre os seres vivos e as características que compartilham, possibilitando a percepção de grupos de seres vivos com ancestralidade comum. O estudo sob essa perspectiva substitui a maneira mais comum, que é a simples memorização de características de cada grupo de seres vivos estudado (Rodrigues; Justina; Meglhioratti, 2011).

A interpretação de árvores filogenéticas e de conceitos de filogenia no Ensino Médio é um assunto em que os alunos e até professores tem dificuldade (Oliveira; Bellini; Almeida, 2013).

Esta sequência didática visa contribuir para o ensino de Biologia no que tange à sistemática filogenética ao desenvolver, juntamente com os alunos do Ensino Médio, a construção de uma árvore filogenética utilizando o brinquedo Pinos Mágicos da Elka contribuindo para a apreensão dos conceitos de sistemática filogenética por parte dos discentes.

Caracterização dos participantes

Este estudo foi desenvolvido com 57 discentes, de quatro turmas, do 1º ano do Ensino Médio do Colégio Estadual Olavo Bilac, localizado na Av. Presidente Vargas, 397 – Campos Elíseos, Município de Resende/RJ. Para a realização da sequência didática, os alunos foram divididos em grupos de aproximadamente seis integrantes.

O objetivo dessa sequência didática foi, por meio de uma atividade investigativa, construir modelos de árvores filogenéticas facilitadoras do ensino-aprendizado sobre sistemática filogenética e evolução no Ensino Médio.

Metodologia

A metodologia utilizada no trabalho foi com abordagem qualitativa, conforme apresentado por O’Leary (2019).

A sequência didática foi elaborada como resposta a um problema identificado. Na correção de provas discursivas de Biologia aplicada no exame do vestibular da Uerj em 2019, foi observado alto índice de erros dos candidatos em uma questão de conteúdos de sistemática filogenética da avaliação, conforme dado fornecido pelo Departamento de Seleção Acadêmica da Uerj (Desea) para realização deste trabalho (Tabela 1).

Tabela 1: Resultado do vestibular da Uerj 2019 (segunda fase) - Questão 9 do exame discursivo

Questão	Pontos	Quantitativo	Percentual
9	0	3.318	28,00
	0,01 - 0,50	716	6,04
	0,51 - 1,00	1.390	11,73
	1,01 - 1,50	1.765	14,89
	1,51 - 2,00	4.663	39,34

Fonte: Departamento de Seleção Acadêmica da Uerj (Desea).

Foi solicitado ao Departamento de Seleção Acadêmica da Uerj (Desea) que fornecesse para o presente estudo cópias não identificadas de uma amostragem aleatória de 100 provas da questão discursiva de sistemática filogenética aplicada no exame do vestibular da UERJ em 2019, objetivando avaliar os principais erros cometidos pelos candidatos e diagnósticos sobre os conceitos e dificuldades. Analisando as respostas de 100 provas discursivas envolvendo conhecimento de filogenética e cladogramas, verificou-se que 41 candidatos demonstraram correta interpretação do cladograma, observando a justificativa de sua resposta. Do total, 40 candidatos demonstraram interpretar parcialmente as informações do cladograma, refletindo uma compreensão equivocada das informações na elaboração de uma justificativa errônea. Dezenove candidatos não souberam interpretar o cladograma exposto na questão e, por conseguinte, cometeram equívoco na sua justificativa.

Assim, foi elaborado o roteiro dessa sequência didática com o objetivo de facilitar o aprendizado do conteúdo, permitindo aos alunos aprender como se interpreta corretamente uma árvore filogenética e identificar que a árvore filogenética expressa uma hipótese evolutiva dos seres vivos que estão na árvore. Para isso, utilizou-se um grupo fictício de seres vivos com características morfológicas de fácil percepção para facilitar o aprendizado da interpretação de uma árvore filogenética.

Roteiro da sequência didática

Foi elaborado o seguinte roteiro para aplicação dessa sequência didática:

1. Dividir os alunos da sala de aula em grupos de cerca de seis integrantes;
2. Entregar uma cópia das figuras de joaninhas (Figura 2) para cada grupo de alunos;
3. Mostrar a árvore filogenética pronta, conforme a Figura 3, colocando as joaninhas de A até F sem listar as plesiomorfias, simplesiomorfias, apomorfias e sinapomorfias;
4. Orientar cada grupo a observar as características listadas e comparar com as figuras das joaninhas na árvore filogenética e assim determinar quais características são compartilhadas entre os táxons (plesiomorfias/simplesiomorfias e sinapomorfias) e quais características são novidades evolutivas (apomorfias);
5. Pedir aos alunos para alocar na árvore filogenética as características que identificaram começando pelas plesiomorfias/simplesiomorfias (um par de antenas, três pares de patas, asas vermelhas), sinapomorfias até as apomorfias;
6. Mostrar aos alunos os ramos, nós internos e terminais, explicando que os internos representam o ancestral compartilhado entre os táxons; demonstrar que os ramos de táxons irmãos podem ser “girados” ou invertidos sem que as relações evolutivas sejam modificadas;
7. Discutir com a turma como surgem as apomorfias (mutações), como elas são passadas aos novos grupos e o processo de especiação.

Materiais

Para execução da sequência didática, foram utilizados modelos impressos de joaninhas fictícias (Figura 1) com características de fácil percepção e compreensão dos alunos (Figura 2), além do brinquedo Pinos Mágicos, da Elka, para confecção da árvore filogenética tridimensional.

Resultados e discussão

O professor começou a aula pedindo aos alunos que se dividissem em grupos de quatro a seis integrantes. Após a reconfiguração da sala de aula com os grupos, ele passou a utilizar o recurso visual do datashow para dar as instruções da aula prática.

Na primeira parte da atividade, após fornecer o roteiro da prática, foi solicitado aos alunos que recortassem os diferentes modelos de joaninhas disponibilizados no roteiro, bem como os nomes das características que elas apresentam, de forma que ficassem individualizadas, assim como as características, para que pudessem ser manipuladas de forma independente durante a atividade.

Nos grupos formados, enquanto alguns alunos executavam os recortes das joaninhas e das características, os demais começaram a trabalhar com os Pinos Mágicos Elka, montando pequenas estruturas formadas por dois pinos. Ao usar como base sempre dois pinos juntos, ao invés de um único, a estrutura montada ao final ficará mais firme e estável, gerando melhores resultados. Com os pinos montados dois a dois, os alunos construíram os modelos de árvore filogenética apresentados a eles. O professor apresentou o modelo de árvore filogenética apenas com os nós e os seis ramos formados, sem qualquer outra informação e sem colocar quais joaninhas estariam em cada um dos seis ramos da árvore (Figura 6). Também não foi informada a posição de qualquer característica apresentada pelas joaninhas que já haviam sido recortadas.

Depois de montado o diagrama da árvore filogenética, com os seis ramos e sem qualquer outra informação, o docente apresentou uma imagem dela com as seis joaninhas posicionadas para que os alunos as colocassem em suas respectivas árvores. É importante enfatizar que a prática desenvolvida tem como objetivo permitir que os alunos aprendam a interpretar uma árvore filogenética e não a construir uma; por isso, o professor fornece a imagem das joaninhas já posicionadas. Conforme relatado por Halverson (2011) em um estudo cujo objetivo era identificar as habilidades necessárias para que estudantes universitários pudessem superar desafios de construção e interpretação de árvores filogenéticas, as habilidades relativas à interpretação precederam as habilidades relativas à construção da árvore filogenética; assim, é adequado que se foque primeiro na interpretação das árvores filogenéticas no Ensino Médio.

Agora, com a árvore filogenética parcialmente montada, foi pedido aos alunos que observassem qual ou quais características eram compartilhadas por todas as joaninhas. Analisando a árvore filogenética, eles observaram que todas elas compartilhavam três pares de patas e um par de antenas. Após essa constatação, o professor indicou onde essas características deveriam ser posicionadas na árvore filogenética, pois, a partir do ponto onde as características são inseridas, todos os grupos a apresentam. Sendo assim, o professor instigou os alunos a levantar hipóteses de onde essas características deveriam ser posicionadas. Os alunos começaram a discutir as hipóteses até que chegaram ao consenso de que as características três pares de patas e um par de antenas deveriam ser posicionadas na base da árvore filogenética, pois todas as joaninhas as compartilhavam.

De acordo com Sasseron (2015), o ensino por investigação tem como protagonista o aluno, e as atividades propostas devem permitir que eles trabalhem de forma ativa e em conjunto para resolver problemas. Ao levantar a questão das características compartilhadas por todas as joaninhas, o professor instiga a formulação de hipóteses e discussões entre os alunos dentro dos grupos e entre os grupos para que juntos cheguem a um consenso. Depois de posicionadas as duas primeiras características, foi pedido aos alunos que prestassem atenção na característica cor das asas. As três primeiras joaninhas da árvore apresentam a mesma cor de asas, vermelha; depois temos duas joaninhas com asas amarelas e por fim uma joaninha com as asas azuis. Em seguida, o professor perguntou onde deveria ser posicionada a característica asas vermelhas. Então os alunos começaram a levantar novas hipóteses. Muitos observaram que, se fosse colocada na base, isso significaria dizer que a partir daquele ponto todas as joaninhas teriam asas vermelhas, mas existem três joaninhas (D, E e F) que possuem asas de outras cores.

O professor fez uma intervenção a respeito dessas novas características e explicou que, ao longo do processo evolutivo das espécies, algumas características preexistentes poderiam ser modificadas pelo processo de mutação e que as mutações podem ainda dar origem a novas características.

Depois dessa explicação, o professor novamente instigou os alunos a levantar hipóteses de onde deveriam posicionar as características asas vermelhas, amarelas e azuis. Os grupos debateram novamente entre si e concordaram que a característica asas vermelhas deveria estar na base da árvore filogenética, junto com as características três pares de patas e um par de antenas; e que, além disso, em um ponto da árvore filogenética, antes do nó de onde partem os ramos para as joaninhas amarelas, deveriam posicionar a característica “asas amarelas”, demonstrando que naquele ancestral comum ocorreu uma mutação que mudou a cor das asas de vermelho para amarelo.

Por fim, posicionaram a característica asas azuis no ramo que chega até a joaninha com asas azuis, representando que, a partir de um ancestral comum com uma das joaninhas com asas amarelas, ocorreu outra mutação, fazendo surgir essa nova característica. Vale ressaltar que, a partir desse momento da aula prática, muitos alunos das quatro turmas já haviam entendido o processo e terminaram de posicionar as demais características que tinham em mãos sem a necessidade de intervenção do professor, pois já haviam compreendido que havia uma lógica na posição onde a característica deveria entrar para fazer com que essa árvore filogenética ficasse correta. Ao observar toda a árvore filogenética proposta e as características que ainda precisariam inserir, já se sentiram seguros para propor hipóteses de onde alocar as características faltantes, chamando o professor apenas para verificar se o que fizeram estaria correto.

Todos os grupos que tiveram esse comportamento acertaram as posições das características, ou seja, demonstraram que aprenderam a interpretar uma árvore filogenética, que é o objetivo maior da aula prática. Sendo assim, não foi necessário orientar os alunos a posicionar cada característica até todas estarem alocadas na árvore filogenética como havia sido planejado.

Segundo Becker (2017), ao analisar a teoria e a prática educativa sob o ponto de vista das concepções de Jean Piaget e Paulo Freire, a construção do conhecimento se dá pela interação com progressiva complexidade do sujeito com o mundo; assim, o professor na presente prática vai apresentando as características a serem posicionadas na árvore filogenética de maneira gradual para que os alunos possam interagir e assim construir seu conhecimento a respeito do assunto.

Depois de a árvore estar completamente montada, o professor explicou os conceitos de árvores filogenéticas, como que as características compartilhadas por ancestrais comuns e que foram ou não modificadas nos grupos mais recentes de uma linhagem eram chamadas de plesiomorfias (Amorim, 2002; Araújo-de-Almeida et al., 2007). Após essa fala, foi perguntado aos alunos quais características de sua árvore filogenética se enquadravam nesse conceito. Os discentes concordaram prontamente que as características da base da árvore – três pares de patas, um par de antenas e asas vermelhas – seriam exemplos de plesiomorfias.

Foi também explicado que uma característica nova, derivada ou não de uma característica primitiva, seria uma apomorfia (Amorim, 2002); foi perguntado aos alunos quais das características de suas árvores filogenéticas se enquadravam nesse conceito. Os alunos debateram e foram apresentando suas conclusões informando as características asas amarelas e asas azuis, por exemplo.

O professor aproveitou esse momento para reforçar os conhecimentos já estudados sobre árvores filogenéticas, como o conceito de nós, ramos e o nó terminal (Amorim, 2002). Nesse ponto o professor pediu que os alunos invertessem em suas árvores filogenéticas as joaninhas E e F (asa amarela e asa azul). Nesse momento foi perguntado se a árvore filogenética continuava ou não correta. Os alunos observaram toda a árvore e muitos disseram que não havia diferença, desde que a característica asa azul acompanhasse a mudança de ramo da joaninha F. Ao levantarem essa hipótese, o professor confirmou que estava correta e explicou que, quando se inverte o nó terminal de uma árvore filogenética, ela ainda continua correta, ou seja, não importa a posição dos dois últimos grupos. Depois dessa fala do professor, os alunos foram instigados a tentar alterar a posição de outras joaninhas e verificar o que aconteceria. Colocando as joaninhas em posições diferentes, os alunos perceberam que apenas no nó terminal não faz diferença essa mudança de posição, pois em outros pontos perde-se totalmente a lógica do surgimento das características, tendo que reposicionar e até colocar que alguma característica surge, depois desaparece e depois surge novamente, ficando a árvore filogenética com uma interpretação diferente do original. Porém, quando se mudam apenas os ramos do nó terminal, a interpretação de toda a árvore não sofre modificação, ou seja, na prática continua sendo a mesma árvore filogenética.

Conclusão

A construção da árvore filogenética proposta na atividade foi essencial para a compreensão da estrutura e a correta interpretação desse diagrama pelos alunos. O uso dos Pinos Mágicos Elka para a construção do modelo tridimensional da árvore, associado aos desenhos das joaninhas com características de fácil percepção e definição pelos alunos, contribuiu para que pudessem perceber o objetivo de construir uma árvore filogenética e que as árvores filogenéticas demonstram hipóteses evolutivas com relação de parentesco entre os grupos de seres vivos. Além disso, usar a construção desse modelo didático tridimensional com protagonismo dos estudantes fez com que a aula ficasse mais agradável e melhorasse o ambiente para que o processo de ensino-aprendizagem pudesse ocorrer. A grande maioria dos estudantes que participaram da sequência didática (45 dos 57 participantes) informou, de maneira espontânea, que a aula foi muito mais divertida ao utilizar os recursos propostos nessa sequência didática; esses relatos estão em conformidade com o encontrado por outros autores, como Rezende e Gomes (2018), que obtiveram uma resposta positiva dos alunos e professores ao utilizar modelos didáticos tridimensionais para o ensino de conceitos de Genética para alunos do 3º ano do Ensino Médio de uma escola em Grajaú/MA.

Em virtude dos fatos mencionados, ressaltamos que o uso do modelo didático tridimensional para construção de uma árvore filogenética é um recurso eficaz para contribuir com o processo de ensino-aprendizagem dos conteúdos de filogenética no Ensino Médio; dessa forma, acreditamos que mais sequências didáticas de fácil elaboração e aplicação devem ser concebidas para facilitar o trabalho do professor em sua tarefa cotidiana de lecionar.

Referências

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Agradecimentos

Agradecemos à colaboração de Marina Silva Figueira de Paula, que elaborou as ilustrações das joaninhas e da tabela de lista de características, ambas fundamentais para a realização e aplicação dessa atividade prática com os alunos.