Computação Evolucionária:Um pouco de biologia

Prof. Rafael Stubs Parpinelli

Teoria da Evolução

Até o século XIX os cientistas mais proeminentes acreditavam em duas teorias principais:

– Criacionismo (“Deus criou o universo da forma que ele é hoje”) – Geração espontânea (“a vida surge de essências presentes no ar”).

Em torno de 1850 Charles Darwin fez uma longa viagem no navio HMS Beagle.

Ele visitou vários lugares e sua grande habilidade para observação permitiu que ele percebesse o seguinte:

– animais da mesma espécie eram ligeiramente diferentes que seus parentes em outros ecossistemas diferentes

– cada grupo era mais adaptado às necessidades e oportunidades oferecidas pelo seu ecossistema específico.

Teoria da Evolução

A teoria da evolução diz que na natureza todos os indivíduos dentro de um ecossistema competem entre si por recursos limitados, tais como comida e água.

Aqueles dentre os indivíduos (animais, vegetais, insetos, etc) de uma mesma espécie que não obtêm êxito tendem a ter uma prole menor

Esta descendência reduzida faz com que a probabilidade de ter seus genes propagados ao longo de sucessivas gerações seja menor.

A combinação entre os genes dos indivíduos que sobrevivem pode produzir um novo indivíduo muito melhor adaptado às características de seu meio ambiente ao combinar características possivelmente positivas de cada um dos reprodutores.

Teoria da Evolução e os Genes

Darwin não sabia quais eram os mecanismos básicos através dos quais a adaptação acontecia;

O processo de transmissão de informação genética ainda era desconhecido;

Um pouco mais adiante, no início do século XX, um padre chamado Gregor Mendel compreendeu que este processo;

A transmissão de características positivas estava associada a uma unidade básica de informação, o gene;

Fundamentos Biológicos

Para entender como isto funciona na prática, precisamos entender um pouco dos mecanismos biológicos por trás da evolução.

Todo indivíduo é formado por uma ou mais células

Cromossomos

Dentro de cada célula, temos um conjunto de cromossomos

Cromossomos Humanos

Os seres humanos têm 23 pares de cromossomos por célula. O número de pares (n) varia de espécie para espécie

Cada cromossomo consiste em sequências de DNA, que é a molécula que codifica toda a informação necessária para nossa existência.

O DNA de um organismo pode conter desde uma dúzia de genes (como o de um vírus), até dezenas de milhares (como o de um humano)

Composição dos cromossomos

O DNA é uma macro-molécula com uma estrutura em dupla-hélice

Os dois filamentos da hélice, chamados de fitas, são polímeros de nucleotídeos

DNA: molécula da vida

Composição dos cromossomos

Dogma Central

DNA é o grande armazenador de informação genética de um organismo;

As proteínas são as verdadeiras trabalhadoras celulares; A relação entre o DNA e as proteínas é descrita pelo dogma

central da biologia– Uma sequência de DNA, que contém toda a informação

necessária para se auto-replicar, é transcrita em RNA e esta, posteriormente traduzida para uma proteína

Proteínas

A sequência de aminoácidos de um polipeptídeo é chamada de estrutura primária. Mas existem 3 outros níveis de organização estrutural, que, em conjunto, determinam a formação tridimensional da proteína, e, em consequência, sua função (ou efeito fenotípico).

Um cromossomo consiste de genes, que são blocos de sequências de DNA.

Cada gene codifica uma ou mais proteínas (função bioquímica).

Cada gene tem uma posição própria no cromossomo chamada locus.

Em cada locus podem existir “formas” alternativas do gene. Essas formas são chamadas de alelos.

Genes são as unidades de hereditariedade.

Composição dos cromossomos

Tradução

Os genes contém regiões inteiras sem função codificante; Estes pedaços que “não servem para nada”, chamados introns,

que têm que ser removidos antes da tradução do gene para proteína;

Este processo, chamado splicing, deixa o gene apenas com as regiões codificantes, chamadas exons.

O conjunto completo de material genético (todos os cromossomos), é chamado de genoma.

Um conjunto específico de genes no genoma é chamado de genótipo.

O genótipo é a base do fenótipo, que é a expressão das características físicas e mentais codificadas pelos genes e modificadas pelo ambiente, tais como cor dos olhos, inteligência, etc.

A qualidade do indivíduo ( fitness ou adaptabilidade) é medida pelo seu sucesso (sobrevivência)

Outros termos importantes

Fenótipo

Na natureza existem dois tipos de reprodução:– Assexuada : típica de organismos inferiores, como bactérias.– Sexuada : exige a presença de dois organismos, na maioria

das vezes de sexos opostos, que trocam material genético.

A reprodução sexuada é a base dos GAs, logo vamos estudá-la um pouco mais.

Reprodução

Reprodução Sexuada

Cada progenitor fornece um pedaço de material genético chamado gametas;

– Estas gametas são resultado de um processo denominado crossing-over (crossover);

– O processo se inicia com a duplicação dos cromossomos;– Após serem duplicados, os cromossomos realizam o

crossover;– Após este processo, nós temos 4 cromossomos

potencialmente diferentes que são separados para as gametas

Reprodução Sexuada

Esquema:

Formação de um novo indivíduo através da combinação de duas células gametas;

Recebe este nome porque fisicamente um cromossomo se cruza sobre o outro para realizar a operação .

Crossover

Mutação

O processo de replicação do DNA é extremamente complexo;

Pequenos erros da enzima DNA polimerase podem ocorrer ao longo do tempo, gerando mutações dentro do código genético;

Estas mutações podem ser boas, ruins ou neutras.

Mutação

Alguns fatores externos, como a radiação ultravioleta, também podem causar pequenas disrupções no código genético.

Mutação

Felizmente existem mecanismos de correção que garantem que a taxa de mutação seja muito baixa.

Mutação

Taxas de erros:

– Correio nos EUA: 13 entregas atrasadas a cada 100

– Bagagem de avião: 1 perda a cada 200

– Datilógrafa (120 palavras/minuto) 1 erro a cada 250 caracteres

– Direção nos EUA: 1 morto a cada 10 4 motoristas por ano

– Replicação do DNA (sem correção) 1 erro a cada 10 7 nucleotídeos

– Replicação do DNA (com correção) 1 erro a cada 10 9 nucleotídeos

Mutação como força evolutiva

Pequeno efeito na frequência gênica Um evento único possui uma chance muito pequena (zero) de

propagação indefinida em uma população muito grande (infinita)... Populações reais são finitas! De fato, ocasionalmente mutações

únicas sobrevivem indefinidamente e levam a uma mudança na frequência gênica

Porém, com taxas de mutação “normais”, a mutação sozinha pode produzir somente mudanças muito vagarosas nas frequências gênicas

Como esse não é o caso em populações naturais, é claro que as frequências gênicas naturais não são produto da mutação sozinha

Evolução, o que é?

São as mudanças na composição genética de uma determinada população ao longo de gerações

– Mudanças na frequência dos alelos ao longo do tempo Quatro mecanismos distintos levam a essas mudanças

– Mutação– Deriva gênica (reprodução)– Fluxo gênico

Introdução ou perda de cópias de um alelo na população– Seleção Natural

Seleção Natural

Ela não é um agente ativo, nem uma entidade dotada de mente ou vontade

A seleção natural não causa a sobrevivência diferencial, ela é a sobrevivência diferencial

“Pode atuar” em qualquer nível dos organismos: Genes, Indivíduos, Populações e Espécies

Em geral, assumimos que a unidade de seleção natural é o indivíduo. A sobrevivência diferencial se deve, então, às diferenças no fenótipo, determinadas por um ou mais locus gênicos

Seleção Natural

Funciona com base em três premissas

1. Genótipos variam dentro de uma população e essa variação é hereditária

2. Componentes bióticos e abióticos no ambiente de um organismo agem como pressões seletivas

3. Genótipos mais bem adaptados a essas pressões possuem maiores chances de deixarem mais cópias

Seleção Natural

Genótipos variam dentro de uma população e essa variação é hereditária

– De onde vem a variação? Mutação!– Como a nova variação é passada adiante? Reprodução!

(deriva gênica)– Durante a reprodução ocorre um processo chamado

recombinação que faz com que os novos alelos surgidos por mutação sejam imediatamente colocados em uma variedade de ambientes genéticos

O fenótipo é resultado da interação entre os diferentes genes de um organismo

Seleção Natural

Componentes bióticos e abióticos no ambiente de um organismo agem como pressões seletivas

– Exemplo de fatores bióticos: Predadores, Competidores, Mutualistas

– Exemplo de fatores abióticos: Disponibilidade de recursos, Condições físicas, Condições químicas

– As pressões podem ter origem natural ou artificial

Seleção Natural

Genótipos mais bem adaptados a essas pressões possuem maiores chances de deixarem mais cópias– Adaptação: uma característica geneticamente determinada que

melhora a habilidade de um organismo de sobreviver e reproduzir em um ambiente em particular

– Indivíduos melhor adaptados possuem um maior valor adaptativo (“fitness”)

– Valor adaptativo ou fitness ou adaptabilidade é a contribuição relativa de um genótipo para a geração seguinte. A taxa de sobrevivência de um determinado genótipo.

– Paisagem adaptativa ou fitness landscape: ambiente onde os indivíduos atuam

Voltando à teoria da evolução

Indivíduos com uma melhor adequação do seu fenótipo ao meio ambiente (fitness melhor) tendem a se reproduzirem mais.

Ao reproduzirem mais, têm mais chances de passar seus genes para a próxima geração.

Entretanto, graças aos operadores genéticos (recombinação e mutação) os cromossomos dos filhos não são exatamente iguais aos dos pais.

Assim, eles podem evoluir e se adaptar cada vez mais ao meio ambiente que os cerca.

Recapitulando

Evolução Darwiniana– Reprodução com herança– Variação– Seleção Natural– Competição

Genética– É a ciência dos genes, da hereditariedade e da variação dos

organismos Evolução biológica é a mudança das características hereditárias

de populações biológicas ao longo de gerações sucessivas

Recapitulando

Os processos evolutivos dão origem a diversidade em todos os níveis de organização biológica, incluindo as espécies, organismos e moléculas tais como DNA e proteínas

Todos os organismos vivos são formados uma ou mais células. E em cada célula existe o mesmo conjunto de cromossomos

Os cromossomos são constituídos por genes, blocos de DNA Cada gene codifica uma proteína particular (uma característica

particular) O dogma central da Biologia postula sobre esta codificação Quais dos quatro mecanismos da evolução gera adaptação?

1. mutação 2. fluxo gênico 3. deriva gênica 4. seleção

Uma grande ideia...

O conceito de paisagem adaptativa inspirou cientistas da área de exatas

– Os pesquisadores vinham lidando com problemas cada vez mais complexos e com formulações incompletas

– Em tais problemas os métodos tradicionais de otimização falhavam ou tinham uma performance inaceitável...

Uma solução natural inspirada na sobrevivência das espécies

Inspiração Biológica

1. Possíveis soluções são codificadas no genoma (armazenadas no DNA)

2. Essas possíveis soluções sofrem mudanças aleatórias que passam de uma geração para outra , são copiadas com fidelidade

3. Essas mudanças causam diferenças na qualidade das soluções

4. Soluções diferentes podem ser combinadas dando ainda mais variedade

5. As soluções piores , comparativamente, têm menor chance de se perpetuar, isto é, deixar cópias ao longo das gerações

Surgem os Algoritmos Evolutivos !

Algoritmos Evolutivos

De uma maneira relativamente simples as forças evolutivas são implementadas para resolver uma grande gama de problemas

1. mutação → variação introduzida pelos operadores genéticos

2. fluxo gênico → populações diferentes trocando informação

3. deriva gênica → variância natural, pois as populações são finitas

4. seleção → critério de otimização