Teoria da Evolução. Computação Evolucionária: Um pouco de biologia. Teoria da Evolução. Teoria da Evolução e os Genes. Cromossomos

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1 Computação Evolucionária: Um pouco 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 essências presentes no ar ). Em torno 1850 Charles Darwin fez uma longa viagem no navio HMS Beagle. Ele visitou vários lugares e sua gran habilida 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 necessidas e oportunidas oferecidas pelo seu ecossistema específico. Prof. Rafael Stubs Parpinelli Teoria da Evolução A teoria da evolução diz que na natureza todos os indivíduos ntro um ecossistema competem entre si por recursos limitados, tais como comida e água. Aqueles ntre os indivíduos (animais, vegetais, insetos, etc) uma mesma espécie que não obtêm êxito tenm a ter uma prole menor Esta scendência reduzida faz com que a probabilida ter seus genes propagados ao longo sucessivas gerações seja menor. A combinação entre os genes dos indivíduos que sobrevivem po produzir um novo indivíduo muito melhor adaptado às características seu meio ambiente ao combinar características possivelmente positivas cada um dos reprodutores. Fundamentos Biológicos Para entenr como isto funciona na prática, precisamos entenr 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 transmissão informação genética ainda era sconhecido; Um pouco mais adiante, no início do século XX, um padre chamado Gregor Menl compreenu que este processo; A transmissão características positivas estava associada a uma unida básica informação, o gene; Cromossomos Dentro cada célula, temos um conjunto cromossomos

2 Cromossomos Humanos Os seres humanos têm 23 pares cromossomos por célula. O número pares (n) varia 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 fitas, são polímeros nucleotíos DNA: molécula da vida Proteínas A sequência aminoácidos um polipeptío é chamada estrutura primária. Mas existem 3 outros níveis organização estrutural, que, em conjunto, terminam a formação tridimensional da proteína, e, em consequência, sua função (ou efeito fenotípico). Cada cromossomo consiste em sequências DNA, que é a molécula que codifica toda a informação necessária para nossa existência. O DNA um organismo po conter s uma dúzia genes (como o um vírus), até zenas milhares (como o um humano) Dogma Central DNA é o gran armazenador informação genética um organismo; As proteínas são as verdairas trabalhadoras celulares; A relação entre o DNA e as proteínas é scrita pelo dogma central da biologia Uma sequência 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 DNA. Cada gene codifica uma ou mais proteínas (função bioquímica). Cada gene tem uma posição própria no cromossomo chamada locus. Em cada locus pom existir formas alternativas do gene. Essas formas são chamadas alelos. Genes são as hereditarieda. unidas

3 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, ixa o gene apenas com as regiões codificantes, chamadas exons. Fenótipo Reprodução Sexuada Cada progenitor fornece um pedaço material genético chamado gametas; Estas gametas são resultado um processo nominado 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 material genético (todos os cromossomos), é chamado genoma. Um conjunto específico genes no genoma é chamado 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 qualida do indivíduo ( fitness ou adaptabilida) é medida pelo seu sucesso (sobrevivência) Reprodução Na natureza existem dois tipos reprodução: Assexuada : típica organismos inferiores, como bactérias. Sexuada : exige a presença dois organismos, na maioria das vezes sexos opostos, que trocam material genético. A reprodução sexuada é a base dos GAs, logo vamos estudá-la um pouco mais. Reprodução Sexuada Esquema:

4 Crossover Formação um novo indivíduo através da combinação duas células gametas; Recebe este nome porque fisicamente um cromossomo se cruza sobre o outro para realizar a operação. Alguns fatores externos, como a radiação ultravioleta, também pom causar pequenas disrupções no código genético. Taxas erros: Correio nos EUA: 13 entregas atrasadas a cada 100 Bagagem 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 nucleotíos Replicação do DNA (com correção) 1 erro a cada 10 9 nucleotíos O processo replicação do DNA é extremamente complexo; Pequenos erros da enzima DNA polimerase pom ocorrer ao longo do tempo, gerando mutações ntro do código genético; Estas mutações pom ser boas, ruins ou neutras. Felizmente existem mecanismos correção que garantem que a taxa mutação seja muito baixa. como força evolutiva Pequeno efeito na frequência gênica Um evento único possui uma chance muito pequena (zero) propagação infinida em uma população muito gran (infinita)... Populações reais são finitas! De fato, ocasionalmente mutações únicas sobrevivem infinidamente e levam a uma mudança na frequência gênica Porém, com taxas mutação normais, a mutação sozinha po 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

5 Evolução, o que é? São as mudanças na composição genética uma terminada população ao longo gerações Mudanças na frequência dos alelos ao longo do tempo Quatro mecanismos distintos levam a essas mudanças Deriva gênica (reprodução) Fluxo gênico Introdução ou perda cópias um alelo na população Funciona com base em três premissas 1. Genótipos variam ntro uma população e essa variação é hereditária 2. Componentes bióticos e abióticos no ambiente um organismo agem como pressões seletivas 3. Genótipos mais bem adaptados a essas pressões possuem maiores chances ixarem mais cópias Componentes bióticos e abióticos no ambiente um organismo agem como pressões seletivas Exemplo fatores bióticos: Predadores, Competidores, Mutualistas Exemplo fatores abióticos: Disponibilida recursos, Condições físicas, Condições químicas As pressões pom ter origem natural ou artificial Ela não é um agente ativo, nem uma entida dotada mente ou vonta A seleção natural não causa a sobrevivência diferencial, ela é a sobrevivência diferencial Po atuar em qualquer nível dos organismos: Genes, Indivíduos, Populações e Espécies Em geral, assumimos que a unida seleção natural é o indivíduo. A sobrevivência diferencial se ve, então, às diferenças no fenótipo, terminadas por um ou mais locus gênicos Genótipos variam ntro uma população e essa variação é hereditária De on vem a variação?! Como a nova variação é passada adiante? Reprodução! (riva gênica) Durante a reprodução ocorre um processo chamado recombinação que faz com que os novos alelos surgidos por mutação sejam imediatamente colocados em uma varieda ambientes genéticos O fenótipo é resultado da interação entre os diferentes genes um organismo Genótipos mais bem adaptados a essas pressões possuem maiores chances ixarem mais cópias Adaptação: uma característica geneticamente terminada que melhora a habilida um organismo sobreviver e reproduzir em um ambiente em particular Indivíduos melhor adaptados possuem um maior valor adaptativo ( fitness ) Valor adaptativo ou fitness ou adaptabilida é a contribuição relativa um genótipo para a geração seguinte. A taxa sobrevivência um terminado genótipo. Paisagem adaptativa ou fitness landscape: ambiente on os indivíduos atuam

6 Voltando à teoria da evolução Indivíduos com uma melhor aquação do seu fenótipo ao meio ambiente (fitness melhor) tenm a se reproduzirem mais. Ao reproduzirem mais, têm mais chances 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 pom evoluir e se adaptar cada vez mais ao meio ambiente que os cerca. Recapitulando Recapitulando Os processos evolutivos dão origem a diversida em todos os níveis 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 cromossomos Os cromossomos são constituídos por genes, blocos 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. riva gênica 4. seleção Evolução Darwiniana Reprodução com herança Variação Competição Genética É a ciência dos genes, da hereditarieda e da variação dos organismos Evolução biológica é a mudança das características hereditárias populações biológicas ao longo gerações sucessivas Uma gran iia... O conceito paisagem adaptativa inspirou cientistas da área exatas Os pesquisadores vinham lidando com problemas cada vez mais complexos e com formulações incompletas Em tais problemas os métodos tradicionais 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 uma geração para outra, são copiadas com filida 3. Essas mudanças causam diferenças na qualida das soluções 4. Soluções diferentes pom ser combinadas dando ainda mais varieda 5. As soluções piores, comparativamente, têm menor chance se perpetuar, isto é, ixar cópias ao longo das gerações Surgem os Algoritmos Evolutivos! De uma maneira relativamente simples as forças evolutivas são implementadas para resolver uma gran gama problemas 1. mutação variação introduzida pelos operadores genéticos 2. fluxo gênico populações diferentes trocando informação 3. riva gênica variância natural, pois as populações são finitas 4. seleção critério otimização

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