Universidade Federal do ABC

Universidade Federal do ABC
BC0506 – Comunicação e Redes
Comunicação de informação biológica nas redes
biológicas
Atividade da aula 9
Grupo 23
Larissa Setsue Tagino Ishikawa
11032109
Patrícia Batista Sakagami
11126609
Sílvia Helena de Barros Alves
11127710
Profa. Sílvia Cristina Dotta
Santo André, 26 de Julho de 2011
INTRODUÇÃO
As redes complexas descrevem uma grande variedade de sistemas na
natureza e na sociedade [1]. O desejo de entender os sistemas reais motivou o
estudo das redes complexas por pesquisadores de diversas áreas, como
físicos, matemáticos, biólogos, engenheiros e sociólogos. O estudo das redes,
através da teoria de grafos, é um dos pilares fundamentais da matemática
discreta. Como a área de redes complexas é recente, ainda não existe uma
definição precisa para o conceito de redes complexas, mas, de forma geral,
pode-se dizer que as redes complexas são redes com propriedades
topológicas não triviais ou diferentes do que seria esperado.
Redes biológicas são redes que envolvem interação entre entidades
biológicas. Os principais exemplos deste tipo de rede são as redes de:
metabolismo, interação entre proteínas, neurônios, cadeia alimentar e vasos
sanguíneos [2].
No presente trabalho, abordaremos os temas cadeia alimentar e
propagação de epidemias como sistemas complexos.
OBJETIVOS
― Dar informações basais acerca do que são: sistemas complexos e
dois exemplos de redes biológicas: cadeia alimentar e epidemia;
― Abordar estas redes biológicas como sistemas complexos;
― Discutir acerca da modelagem das redes biológicas como sistemas
complexos.
1.1. O QUE SÃO SISTEMAS COMPLEXOS
As definições precisas do que venha a ser um sistema complexo são
raras, praticamente inexistentes. Geralmente, faz-se uso das características
típicas que perfazem esse sistema para caracterizá-lo. Suas características
principais são [3].
(i) Os sistemas complexos, em sua maioria, são compostos de
componentes extremamente simples, mas que em conjunto, geram um
comportamento cooperativo extremamente complicado. O comportamento do
todo é bastante diferente do comportamento das partes.
(ii) A evolução temporal é geralmente controlada por uma dinâmica não
linear, eventualmente levando a um comportamento caótico. A isso significa
que o sistema responde de uma maneira altamente não linear a qualquer
estímulo externo como, por exemplo, o calor específico e a susceptibilidade
inerente a um sistema magnético. Outro exemplo é um sistema que apresenta
transição de fase a uma dada temperatura. Próximo à transição, o efeito
cooperativo gera ordem de longo alcance. Devemos considerar amostras do
sistema da ordem de grandeza do comprimento de correlação, que diverge na
temperatura de transição.
(iii) O sistema como um todo (macroscópico), geralmente apresenta um
grande número de configurações metaestáveis (ou de tempo de vida
relativamente longo) com propriedades consideravelmente diferentes daquelas
de seus elementos isolados;
(iv) Eles freqüentemente apresentam padrões espaço-temporais fractais
ou multifractais, que, às vezes, se constituem de modo auto-organizados;
(v) Aqueles fenômenos que nos sistemas não complexos são regidos por
leis exponenciais, nos Sistemas Complexos, costumam apresentar leis de
potências, por exemplo, se desejarmos prever o tamanho de uma maré, temos
uma noção clara da resposta, no entanto se quisermos saber qual será o
tamanho de um terremoto a resposta não é tão clara assim.
1.2. O QUE SÃO CADEIAS ALIMENTARES
Dentro de um ecossistema, a matéria está constantemente ciclando, ou
seja, o que os seres vivos retiram do ambiente, eles devolvem. Além da
matéria, a energia passa por todos os componentes desse ciclo, porém,
enquanto a matéria circula a energia flui, assim a energia não retorna ao
ecossistema, como a matéria. Essa constante passagem de matéria e energia
de um nível para outro, chamamos de cadeia alimentar, que tem como
definição uma seqüência de eventos consecutivos de relação de alimentação
por um grupo de organismos com necessidades semelhantes, quanto à fonte
principal de alimento, formando níveis tróficos que englobam os produtores,
consumidores e decompositores [4].
Um verdadeira situação encontrada em um ecossistema é a teia
alimentar, que é constituída por várias cadeias alimentares interligadas
ocorrendo simultaneamente, onde desempenham vários papeis determinados:
 Produtores e consumidores:
Toda matéria orgânica consumida como alimento pelos heterótrofos é
produzida pelos seres autótrofos. Dessa maneira, os primeiros são chamados
de produtores, e os segundos de consumidores. Alguns organismos possuem
alimentação diferenciada, sendo denomidaos de onívoros (do latim omnis, tudo
e vorare, comer, devorar). Existem os organismos que comem carne
(carnívoros) ou vegetais (herbívoros).
 Decompositores:
Tanto os produtores como os consumidores, ao morrer, servem de
alimento a certos fungos e bactérias, contudo, para obter energia, eles
decompõem a matéria orgânica dos cadáveres.
FLORA
Produtores
Formado por todos os componentes
fotossintetizantes, os quais produzem seu
próprio alimento (autótrofos) tais como
gramíneas, ervas rasteiras, liquens,
arbustos, trepadeiras e árvores;
FAUNA
Consumidores
primários
São todos os herbívoros, que no caso dos
ecossistemas terrestres tratam-se de
insetos, roedores, aves e ruminantes;
Consumidores
Secundários
Alimentam-se diretamente dos
consumidores primários (herbívoros). São
formados principalmente por carnívoros de
pequeno porte;
Consumidores
terciários
Tratam-se de consumidores de porte maior
que alimentam-se dos consumidores
secundários;
decompositores
Esta categoria não pertence nem a fauna e
nem a flora, sendo composta por fungos e
bactérias.
Tabela 1.
Ecossistema Terrestre
1.3. O QUE SÃO EPIDEMIAS
Uma doença é considerada endêmica quando ocorre em uma dada região
específica ou em uma população, com taxas de prevalência e incidência
relativamente altas em comparação com as observadas em outras populações
ou regiões. São determinadas condições do meio ambiente ou do próprio
hospedeiro que se modificam e aí uma doença endêmica pode evoluir para
epidêmica. O que caracteriza uma epidemia é a rápida ocorrência da doença
contagiosa, em grande número de habitantes, numa comunidade ou região, em
um dado momento. As epidemias ocorrem geralmente quando a população de
uma determinada região entra em contato, pela primeira vez, com um novo
agente patogênico (vírus, bactéria) que provoca um desequilíbrio do sistema,
conferindo-lhe vantagem. Uma epidemia pode acontecer também quando
ocorre uma mutação do agente patogênico, surpreendendo o sistema
imunológico das pessoas [5].
Para se estudar uma epidemia, não basta a pura e simples observação de
um único indivíduo ou pequeno grupo, mas sim de um conjunto bem amplo, o
que torna a observação muito mais complexa. Esse efeito produzido pela
coletividade e cooperação entre as partes é uma das características dos
sistemas complexos.
As redes complexas são o suporte natural para o estudo da propagação
das doenças infecciosas. A transmissão da doença dá-se segundo uma rede
de contatos que depende da distribuição espacial da população, dos seus
padrões de mobilidade e também do mecanismo de infecção, mas que inclui
sempre uma combinação de transmissão local e uma de longa distância [4].
2.1 MODELAGEM DE CADEIA ALIMENTAR COMO UM SISTEMA
COMPLEXO
As redes são utilizadas pelos ecologistas para quantificar a interação
entre várias espécies. Na figura abaixo está representada uma cadeia
alimentar. Os nós (bolinhas) são as espécies, as arestas (linhas), que são
dorecionais, representam os relacionamentos predador-presa entre elas e as
cores representam os níveis tróficos constituintes.
Figura 1. Rede de Cadeia alimentar
Dentro de um sistema complexo, cada animal tem sua função dentro da
cadeia biológica. Um exemplo é o pássaro denominado tié-sangue
(Ramphocelus bresilius). Este carrega sementes de árvores frutíferas, do qual
é grande dispersor, e uma vez retirado da natureza, causaria um enorme
impacto ambiental, comprometendo de maneira significativa toda a cadeia
alimentar que dependesse das árvores frutíferas que ele espalha.
No ecossistema terrestre, por exemplo, os mamíferos constituem o
grupo mais vulnerável à perturbação ambiental, o que faz com que sejam bons
indicadores do grau de conservação de determinadas áreas. A ocupação de
novas áreas para muitas espécies é difícil, não apenas pelas barreiras físicas,
mas também devido a características comportamentais, assim como o habitat
restrito ou grande territorialidade [4].
Os impactos sobre a vegetação e as florestas em geral, acarreta em
efeitos diretos na fauna pela redução, aumento ou alteração de variáveis
básicas na sobrevivência das espécies: abrigo e alimentação. Qualque ação ,
por menos que seja, tem efeito relevante na natureza, dentre todas as
alterações nas inter-relações que pode causar, o que a torna um sistema
complexo.
2.2. MODELAGEM DE EPIDEMIA COMO UM SISTEMA COMPLEXO
Com o auxílio de plataformas e outros recursos e teorias computacionais
como autômatos celulares, é possível modelar epidemias como sistemas
complexos e simular eventos nesses modelos. A simulação de eventos
epidêmicos pode ser de grande valor para órgãos de saúde pública.
Um exemplo de modelagem de epidemia é o Processo de Contato (PC)
[5]. Seja uma rede unidimensional, onde cada sítio pode estar ocupado (ativo,
contaminado) ou vazio (inativo, curado) conforme ilustra a rede unidimensional
de comprimento L=N onde N é o número de sítios na Figura 1, abaixo.
Figura 2: Rede unidimensional de comprimento L= N sítios.
As regras para o PC, ilustradas pela Figura 2 abaixo, consiste em visitas
aleatórias aos sítios com intuito de contaminar ou curar as partículas.
Figura 3: Regras para o processo de contato (PC). As caras escuras correspondem a
partículas contaminadas. As caras claras a partículas curadas.
A contaminação de uma partícula se dá quando ela é visitada e tem como
vizinhos tanto da direita como da esquerda, partículas contaminadas. Caso um
dos sítios vizinhos não contenha uma partícula contaminada, ela terá uma
chance de 50% de ser contaminada ou não, independente de que lado esteja o
sítio contaminado.
A cura de uma partícula se dá mediante a probabilidade “p”, chamada
probabilidade de cura, gerada aleatoriamente. A cura independe da condição
das partículas vizinhas. Caso o sítio visitado já contenha uma partícula curada,
nada acontece.
O parâmetro de ordem do PC é a densidade de partículas contaminadas
que vai a zero no estado absorvente (estado sem atividade). Para o PC, este
estado acontece quando todas as partículas foram curadas.
Observa-se que este modelo possui as características de um sistema
complexo: emergência, imprevisibilidade, auto-referência, retroalimentação,
descentralização.
CONCLUSÃO
A partir dos dados abordados, podemos concluir que sistemas
complexos abrangem conceitos dos mais diversos temas auxiliando para um
melhor entendimento do assunto, seja ele de qualquer ciência. Dessa maneira,
é possível associar estes com sistemas ecológicos, exemplificando a interação
que ocorre na natureza entre seres-vivos e o que os mantém em equilíbrio
tanto entre eles quanto para com o ambiente. No caso, uma teia alimentar é
uma maneira prática de relacionar cada nível de trófico e mostrar a direção
desses níveis e seus respectivos participantes. Já no caso da epidemia, além
dos fatores que influenciam uma emancipação de doenças, é possível juntar
também a direção que a mesma pode ter assim como a probabilidade de
acontecer.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] Albert, R.; Barabási, A., 2002, Statistical mechanisms of complex
networks. Reviews of Modern Physics, Vol. 74, pp. 47-97.
[2] Newman, M. E. J., 2003, The structure and function of complex
networks. SIAM Review, Vol. 45, pp. 167-224.
[3] SOCIEDADE BRASILEIRA DE FÍSICA. Física para o Brasil: pensando
o futuro. 2005. ed. São Paulo: Editora Livraria da Física, 2005..
[4] Portal EcoDebate: Cidadania & Meio Ambiente; Fauna, Artigo de
Roberto Naime; Publicado em 05 de maio de 2011. Último acesso em 26 de
julho de 2011.http://www.ecodebate.com.br/2011/05/05/fauna-artigo-de-robertonaime/
[5]dos Santos, Frederico Lemos; Universidade Federal do Rio Grande do
Norte; Centro de Biociências; Programa de Pós-graduação em Ciências
Biológicas; Estudo das Propriedades Críticas do Processo Epidêmico por Par
com Difusão de Pares; dos Santos; 2009. Último acesso em 26 de julho de
2011 http://ftp.ufrn.br/pub/biblioteca/ext/bdtd/FredericoLS_DISSERT.pdf