Um pouco de biologia Teoria da Evolução Teoria da Evolução

Computação Evolucionária:
Um pouco de biologia
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.


Prof. Rafael Stubs Parpinelli
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.
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

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;
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


Composição dos cromossomos


Composição dos cromossomos



O DNA é uma macromolécula com uma estrutura
em dupla-hélice
Os dois filamentos da hélice,
chamados de fitas, são
polímeros de nucleotídeos
DNA: molécula da vida
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).
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)
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
Composição dos cromossomos

Um cromossomo consiste
genes, que são blocos
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
hereditariedade.
unidades
de
de
de
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.
Fenótipo
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
Outros termos importantes

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)
Reprodução

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 Sexuada

Esquema:
Crossover


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 .
Mutação



Mutação
Alguns fatores externos, como a radiação ultravioleta, também
podem causar pequenas disrupções no código genético.

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
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

Felizmente existem mecanismos de
correção que garantem que a taxa de
mutação seja muito baixa.
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

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

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




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

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

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



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
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
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
Algoritmos Evolutivos
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 !
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