Evolução Biológica e Algoritmos Genéticos. Fábio Lima Custódio flc@lncc.br

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1 Evolução Biológica e Algoritmos Genéticos Fábio Lima Custódio flc@lncc.br

2 Sumário Conceitos gerais O que é evolução? Forças Evolutivas Mutação Deriva Gênica Fluxo gênico Seleção Natural A teoria evolutiva como um algoritmo de otimização

3 Genes Fragmento de DNA que codifica uma certa função bioquímica, por exemplo, a produção de uma proteína É fundamentalmente uma unidade de herança Qualquer fragmento de DNA que sofre ação da seleção natural 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)

4 DNA: A Molécula da Vida O Ácido Desoxirribonucleico (ADN ou DNA) é o material genético fundamental de todos os organismos vivos O DNA é uma macro-molécula com uma estrutura em duplahélice Os dois filamentos da hélice, chamados de fitas, são polímeros de nucleotídeos Um nucleotídeo é um carboidrato (desoxirribose) ligado a um grupamento fosfato e a uma base nitrogenada

5 Genes e proteínas Genes codificam as proteínas. Típico organismo moderno DNA Transcrição RNA Tradução Proteínas Replicação A seqüência 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 conseqüência, sua função (ou efeito fenotípico).

6 Cromossomo Cromossomo: uma das cadeias de DNA que se encontra no núcleo das células Cada gene é capaz de ocupar somente uma região em particular de um cromossomo (seu lugar ou locus) Em cada locus pode existir, em uma população, formas alternativas do gene. Essas formas são chamadas de alelos 6

7 Genoma A coleção total de genes (e portanto, cromossomos) que um organismo possui

8 Desenvolvimento Genótipo: A composição genética de um organismo (a informação contida no genoma) Pode-se dizer que, é o que potencialmente pode vir a ser um indivíduo

9 Desenvolvimento Fenótipo: Conjunto das características (observáveis) específicas de um indivíduo...

10 Conceitos básicos Indivíduo: Um só membro de uma população

11 Conceitos básicos População: Um grupo de indivíduos que podem interagir, por exemplo, para reproduzir

12 Reprodução Reprodução: a geração de um novo indivíduo a partir de 2 progenitores: sexual 1 progenitor: asexual

13 Reprodução Gametas: As células que levam informações genéticas dos pais com o propósito de efetuar reprodução sexuada

14 Reprodução Denomina-se diplóide a uma célula que contém duas cópias de cada cromossomo As cópias são chamadas de homólogas, quer dizer, contém os mesmos genes na mesma seqüência Cromossomos homólogos Denomina-se haplóide a célula que contém somente uma cópia dos cromossomos Um exemplo é o gameta de um organismo diplóide

15 Reprodução Dessa forma, em muitas espécies que se reproduzem sexuadamente os genes em um dos conjuntos de cromossomos de uma célula diplóide são herdados do gameta do pai, enquanto que os genes do outro conjunto são do gameta da mãe

16 Recombinação Durante a reprodução sexual ocorre a recombinação (cruzamento ou crossover) Caso haplóide: Os genes fazem intercâmbio entre os cromossomos (haplóides) dos pais

17 Recombinação Caso diplóide: Em cada pai, os genes podem se trocar entre os pares de cromossomos na formação dos gametas Os gametas dos dois pais se juntam para formar um só conjunto de cromossomos diplóides

18 Recombinação (crossover) Recombinação

19 De acordo com o modelo de evolução biológica de Darwin, os requisitos mínimos para os processos evolutivos ocorrerem (no sentido filogenético) são (Banzhaf et al., 1998): Reprodução de indivíduos na população Variação que afeta a probabilidade de sobrevivência dos indivíduos Hereditariedade na reprodução Competição por recursos finitos

20 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

21 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 1. Mutação 2. Deriva gênica 3. Fluxo gênico (migração) 4. Seleção natural (ou artificial)

22 Mutação, origens e efeitos evolutivos Mutação como fonte de nova variabilidade genética e como força evolutiva que altera as frequências dos genes em uma população Constitui a origem de todas as novidades genéticas em uma população Grandes ou pequenas No sentido amplo, a mutação refere-se a qualquer mudança imprevista e hereditária no genótipo de um organismo

23 Mutação, origens e efeitos evolutivos Características básicas da mutação gênica Pode ocorrer de forma espontânea: erros da enzima DNA polimerase Ou induzida por agentes mutagênicos Pode ocorrer em qualquer tipo celular, mas apenas as que ocorrem em gametas são herdáveis Ocorrência rara?

24 Mutação, origens e efeitos evolutivos Mutação como força evolutiva Células somáticas X células germinativas Mudanças na frequência gênica

25 Mutação, origens e efeitos evolutivos 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

26 Deriva Gênica Quando uma população se reproduz...

27 Gene Pool Quando uma população se reproduz...

28 Deriva Gênica Quando uma população se reproduz, existe uma amostragem no gene pool Como se fosse um sorteio, em que os alelos sorteados encontram-se nos gametas que se unem para formar filhotes

29 Deriva Gênica A frequência dos genes apresenta uma distribuição binomial Um alelo é de um determinado tipo OU não Cada geração nova é produzida como uma amostragem da população anterior Variação nas frequências gênicas, puramente ao acaso, ligada exclusivamente aos desvios padrões das frequências ( p) σ = pq n

30 Deriva Gênica A frequência dos genes apresenta uma distribuição binomial Um alelo é de um determinado tipo OU não Cada geração nova é produzida como uma amostragem da população anterior Variação nas frequências gênicas, puramente ao acaso, ligada exclusivamente aos desvios padrões das frequências ( p) σ = pq n O que aconteceria com uma população infinita? O que acontece na prática?

31 O que acontece na prática? Deriva Gênica

32 Deriva Gênica, em outras palavras... São variações que as frequências dos genes sofrem. Porque as populações são finitas e cada ser vivo deixa um número variável de filhotes a cada geração É o resultado direto do efeito do desvio padrão no processo de amostragem que acontece durante o ciclo reprodutivo Como o desvio padrão depende do tamanho das amostras: quanto maior uma população menor a deriva gênica

33 Fluxo Gênico Introdução ou perda de cópias de um alelo na população

34 Seleção Natural: Definição Ela não é um agente ativo, nem uma entidade dotada de mente ou vontade Trata-se de uma avaliação estatística da diferença de sobrevivência (ou mortalidade) de organismos que são diferentes em uma ou mais características A seleção natura não causa a sobrevivência diferencial, ela é a sobrevivência diferencial

35 Seleção Natural: Definição Pode atuar em qualquer nível dos organismos: Genes Indivíduos Populações Espécies Em geral, assumimos que a unidade de seleção natural é o indivíduo. A sobrevivência diferencial se deve, então, às diferencias no fenótipo, determinadas por um ou mais locos gênicos

36 Seleção Natural: Mecanismos A seleção natura 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 organismos agem como pressões seletivas 3. Genótipos melhor adaptados a essas pressões deixam mais cópias

37 Seleção Natural: Mecanismos 1- 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 Isso é particularmente importante! O fenótipo é resultado da interação entre os diferentes genes de um organismo

38 Seleção Natural: Mecanismos 2- Componentes bióticos e abióticos no ambiente de um organismos agem como pressões seletivas Exemplo de fatores bióticos: Predadores Competidores Mutualistas Exemplo de fatores abióticos: Disponibilidade de recursos Condições físicas Condições químicas As pressões pode ter origem natural ou artificial

39 Seleção Natural: Mecanismos 3- Genótipos melhor adaptados a essas pressões deixam 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 )

40 Seleção Natural: Definição e valor adaptativo. A seleção natural é a reprodução diferencial dos indivíduos numa população A mortalidade (ou sobrevivência) dos organismos não ocorre ao acaso É uma força determinista que causa uma mudança nas frequências gênicas com sentido e direção determinados. Sempre na direção do aumento do valor adaptativo médio das populações O que é valor adaptativo? É a contribuição relativa de um genótipo para a geração seguinte. A taxa de sobrevivência de um determinado genótipo Valor adaptativo médio é a média dos valores adaptativos dos genótipos em uma população ponderada pelas respectivas frequências

41 Seleção Natural: Valor adaptativo. O que é valor adaptativo. É a contribuição relativa de um genótipo para a geração seguinte. A taxa de sobrevivência de um determinado genótipo. Valor adaptativo médio é a média dos valores adaptativos dos genótipos em uma população ponderada pelas respectivas freqüências. Por exemplo, um caso de vantagem do hereozigoto: W AA = 0,9 W Aa = 1,0 W aa = 0,9 Com p = 0,5 e q = 0,5 Logo p 2 = 0,25 2pq=0,5 q 2 =0,25 O valor adaptativo médio, W é 0,9x0,25+1,0x0,5+0,9x0,25 = 0,95

42 Seleção Natural: Paisagem adaptativa Se podemos calcular o valor adaptativo médio de uma população, podemos criar uma representação deste valor em função de p ou q Isso é chamado de paisagem adaptativa ( fitness landscape )

43 Seleção Natural: Paisagem adaptativa Se podemos calcular o valor adaptativo médio de uma população, podemos criar uma representação deste valor em função de p ou q. Isso é chamado de paisagem adaptativa ( fitness landscape ).

44 Seleção Natural: Paisagem adaptativa As paisagens adaptativas são particularmente úteis para se vislumbrar o processo evolutivo. A escalada do monte improvável de R. Dawkins Múltiplos caminhos para os picos. ESS. Estratégias Evolutivamente Estáveis.

45 Evolução, finalizando Quais dos quatro mecanismos da evolução gera adaptação? 1. mutação 2. fluxo gênico 3. deriva gênica 4. seleção Apenas a seleção natural! As outras forças geram variação sem ligação com melhoria na sobrevivência em um dado ambiente Como estas forças interagem? De fato, quanto menor o tamanho de uma população, maior o desvio padrão na amostragem reprodutiva, assim, quanto menor uma população menores os efeitos da seleção natural De forma análoga, quanto maior uma população, menores serão os efeitos da deriva gênica

46 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...

47 Uma solução natural A natureza já havia resolvido o maior de todos os problemas há muito tempo Como o problema da sobrevivência é resolvido? 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

48 Uma solução natural Foi apenas uma questão de adaptar os cinco passos para resolver outros problemas Surgiram os algoritmos genéticos Inspirados em processos naturais, cientistas criaram um poderoso método de otimização, capaz de lidar com problemas de grande complexidade Desde o seu surgimento têm sido aplicados a uma infinidade de problemas interessantes em muitas áreas diferentes

49 Algoritmos genéticos Um algoritmo genético básico (standard GA). Inicie a população P; Avaliar aptidão dos indivíduos dessa população P; Repita Repita Selecione 2 indivíduos de P ; Aplique um operador de recombinação com probabilidade p(r); Aplique operador de mutação com probabilidade p(m); Insira os novos indivíduos em P ; Até que P esteja completa; Avalie a população P ; P <- P ; Até que critério de parada seja satisfeito; Fim.

50 Algoritmos genéticos Codificação: as solução serão codificadas como no genoma dos organismos reais Por exemplo, Estamos querendo encontrar um determinado tipo de configuração de um peptídeo (pequena proteínas) A configuração 3D é determinada pelos ângulos PHI e PSI para cada aminoácido da estrutura Uma solução possível pode ser codificada em uma lista de pares de ângulos (60, 50) (50, -60) (80, 75) (20, 60)...

51 Algoritmos genéticos Codificação: as solução serão codificadas como no genoma dos organismos reais Por exemplo, (60, 50) (50, -60) (80, 75) (20, 60)...

52 Algoritmos genéticos Criar uma população inicial Consiste em gerar as primeiras soluções para o problema Aleatória Segundo alguma informação sobre o problema

53 Algoritmos genéticos Avaliar a população Consiste em computar as aptidões das possíveis soluções Em outras palavras: determinar se uma solução é melhor do que a outra Definindo a função objetivo A configuração que buscamos é a que possui o maior número de pontes de hidrogênio Decodificar os ângulos em coordenadas cartesianas (x, y, z) e contar as pontes de hidrogênio (60, 50) (50, -60) (80, 75) (20, 60)... n pontes

54 Algoritmos genéticos Aplicar os operadores Escolher indivíduos para aplicar operadores que irão gerar variação A escolha pode ser dependente da aptidão ou não (pressão seletiva) Aleatória, torneio e roleta são os métodos mais comuns

55 Algoritmos genéticos Operadores inspirados na biologia Mutação (60, 50) (50, -60) (80, 75) (20, 60)... (60, 50) (30, -80) (80, 75) (25, 55)... Crossover (recombinação) Outros operadores inspirados em fenômenos genéticos Aplicar operadores até construir uma nova população

56 Algoritmos genéticos Temos duas populações Como selecionar indivíduos dentre as duas população para compor a próxima geração?

57 Algoritmos genéticos Temos duas populações Como selecionar indivíduos dentre as duas população para compor a próxima geração? Substituição parental com base na aptidão Elitismo Fusão

58 Algoritmos genéticos Elitismo Parental Filhos Nova geração Valores de aptidão = número de pontes de H. Quanto maior melhor

59 Algoritmos genéticos Fusão Parental Filhos Nova geração Valores de aptidão = número de pontes de H. Quanto maior melhor

60 Fusão Parental Algoritmos genéticos Filhos Valores de aptidão = número de pontes de H. Quanto maior melhor 1

61 Algoritmos genéticos Fusão Parental Filhos Nova geração Valores de aptidão = número de pontes de H. Quanto maior melhor

62 Algoritmos genéticos Repetir até... Atingida uma solução satisfatória Esgotado um orçamento computacional Atingido um tempo limita

63 Algoritmos genéticos De uma maneira relativamente simples as forças evolutivas são implementadas para resolver uma grande gama de problemas Os requisitos de acordo com o modelo de evolução biológica de Darwin estão presentes Reprodução de indivíduos na população Variação que afeta a probabilidade de sobrevivência dos indivíduos Hereditariedade na reprodução Competição por recursos finitos

64 Algoritmos genéticos 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

65 Fim