Propriedades
Fundamentais da Vida

Ecologia de Populações
Prof. Dr. Harold Fowler

popecologia@hotmail.com
Ecologia de
Populações:
Evolução
Coma,
Sobreviva,
Reproduz,

Coma,
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Reproduz,

O que
Acontece?

Coma,
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A Vida tem Organização
• Os seres vivos demonstram uma ordem de
hierarquia. Uma hierarquia demonstra a
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Os seres vivos são organizados
hierarquicamente
A organização de seres vivos começa com átomos, que compõem
as unidades bá...
Os seres vivos são organizados
hierarquicamente
Ecossistema
Como Fazer um Organismo Mais
Complexo?

Pela direção fraca descendente de processos
principalmente Ascendentes.
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Princípios Fundamentais da
Ecologia
A distribuição heterogênea dos organismos

Limites de tolerância; teoria do nicho

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O que é uma
propriedade emergente?
Propriedades que aparecem ao aumentar a
complexidade.
São produtos da interação dos
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Propriedades
Fundamentais da Vida
A vida tem propriedades emergentes?
– O que é a vida?
Não existe nenhuma definição
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Propriedades Emergentes
• Propriedade Emergente = Atributo criado como o
resultado das interações entre os componentes.
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Mecanismos de Formação de Padrões
Relações entre mecanismos
de ativação e inibição e
mecanismos de atração e
repulsão

+
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Propriedade Emergente

Tecido suave de cobertura que permite a difusão,
filtração e secreção
(propriedade não presente nas...
Propriedades
Fundamentais da Vida
A historia comum data desde as diversas
formas de vida atual se originaram de
um ancestr...
Propriedades da Vida
Unicidade química – os
sistemas vivas
demonstram uma
organização
molecular complexa e
única.
Unicidade química
Os organismos vivos juntam as moléculas
grandes – macro-moléculas – que são
mais complexas do que as mol...
Unicidade química

Esses quatro grupos diferem em:
– Componentes
– Tipos de ligações químicas
– Funções

As macro-molécula...
Unicidade química
As proteínas se constituem de 20 sub-unidades de
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A variabilidade enorme permit...
Propriedades da Vida
Complexidade e a
Organização
Hierárquica – as
moléculas se
organizam em
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vivos que n...
Propriedades da Vida
Metabolismo – os
organismos vivos se
mantêm por a
aquisição de
nutrientes do
ambiente.

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Metabolismo

O metabolismo inclui reações destrutivas
(catabolizas) e construtivas
(anabólicas).
Essas reações inclui a sí...
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Compressão de MEET como uma Imperativa
Termodinâmica
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Propriedades da Vida
Desenvolvimento –
Todo organismo
passa por estágios
característicos de
seu ciclo vital.

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Desenvolvimento
Metamorfose –
transformação
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vital em outro.
– Girino em sapo
– Lagarta em
mariposa
O Desenvolvimento e a
Evolução
Qual o papel do desenvolvimento na
geração de novas formas de seres
vivos?
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Por muito tempo o estudo do
desenvolvimento e da evolução
andaram separados

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1977

1992

2005
Alguns elementos-chave
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para fatores de transcrição
Eles regulam outros genes
interagindo com a...
Os genes HOX

Genes HOX controlam a identidade de
segmentos, controlando a transcrição de
vários genes numa região específ...
Variação em genes HOX e na
morfologia
Uma expectativa razoável: organismos
muito diferentes terão genes de
desenvolvimento...
Variação em genes HOX e na
morfologia
Uma expectativa razoável: organismos muito
diferentes terão genes de desenvolvimento...
Conservação de função

Pax6 e sem olhos

A conservação de sequência também se
reflete num aspecto funcional (o que
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Conservação de função

Desafiando noções sobre homologia

Homologia: estruturas partilhadas por descendência de um ancestr...
Quais as características do
ancestral comum dos
animais?

Carroll et al., 2005
Modos de evolução do
desenvolvimento

Carrol, 2005

Evolução da regulação
(inferido a partir de
conservação de regiões
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Co-opção molecular
Dll em apêndices e
manchas alares

Genes Hox no
padrão A-P e na
formação dos
apêndices

Futuyma, 2005
Modos de evolução do
desenvolvimento
HOX pode se manter e mudar “alvo”
OU
Evolução de local e tempo de expressão dos genes...
Inferências de homologias
numa escala temporal mais
restrita

Asas de insetos são brânquias modificadas
(visíveis pois par...
Modos de evolução do
desenvolvimento
co-opção
modularidade: organização de animais em
componentes anatomicos e de
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Alguns desafios
O que domina: seleção ou viés causado por
desenvolvimento?
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Ciclo Vital do
Desenvolvimento Evolutivo
Replicação
Estrutura estável no espaço e tempo, transmissível parcialmente por
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Evolução e
Desenvolvimento
Gêmeos idênticos

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O Desenvolvimento
Somente poucos centenas de
genes de desenvolvimento
“controlam” um caos
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Evolução, Sistemas, e o
Desenvolvimento

As bolas travessam o paisagem (sistema), cada um com um
caminho não previsível (e...
Biogênese de
Desenvolvimento
Eric Smith, Instituto de Santa Fe
As reações químicas pré-bióticas potenciais formam um
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Quantos Olhos são Ótimos
no Desenvolvimento?
A evolução já fez esse experimento.
O desenvolvimento calculou o ótimo operac...
Evolução e Desenvolvimento:
Dois Processos Universais
Evolução

Desenvolvimento

Criatividade
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Varieda...
Os limites do Controle Descendente:
Esperteza da Engenharia é Difícil Fazer
Camundongos “Doogie Howser”. Cópias extras do ...
Propriedades da Vida
A interação ambiental – Os seres vivos
interagem com seus ambientes.
Interação Ambiental
Ecologia é o
estudo da
interação de
organismos e seu
ambiente
Propriedades da Vida
Movimento – os sistemas vivos e suas
partes demonstram um movimento
preciso e controlado dentro do si...
Movimento
O movimento ao nível celular é necessário
para:
– Reprodução
– Crescimento
– Respostas aos estímulos
– Desenvolv...
Movimento
Numa escala maior:
– Populações ou espécies inteiras podem
se dispersar de uma localidade
geográfica a outra no ...
Propriedades da Vida
Reprodução – Sistemas vivos se reproduzem!
Reprodução
Os genes se replicam para formar genes
novos.
As células se dividem para produzir
células novas.
Os organismos ...
Não me interessa a origem da
Vida! Mas, sim a origem de espécies

Seleção Natural
Evolução
A Ecologia e a Evolução
são intimamente
conectadas
Ecologia = o estudo das interações
entre os organismos e o ambiente (as
condições físicas, químicas e
biológicas)
Evolução...
Evolução
Árvore de Vida de
Ernst Haeckel (1866)

Árvore da Vida Woesiana

Micróbios há 3.5 Bilhões de anos
O Homem há 130,000 anos ...
Por que a Genética e a Evolução numa disciplina da
Ecologia?
Conceitos unificantes => Todo organismo
vivo usa as mesmas re...
Teorias da Evolução
Origem Mitos /Cosmologias
– Grego – Prometeu
– Genesis

Exemplos ociedentais

Esquerda: Prometeu e Ate...
Outras Teorias
O Criacionismo explica a diversidade biológica com referencia
ao ato divino da criação descrito em Genesis....
Evolução é essencial para toda biologia
“Nada da biologia
tem sentido
exceto a luz da
evolução”
(Dobzhansky,
1973)
Ecologia é essencial para
entender a evolução
“Nada da biologia tem
sentido exceto a luz
da evolução”
(Dobzhansky, 1973)

...
No artigo famoso, "Nothing in biology makes sense except in the
light of evolution" (Am. Biol. Teach. 35, 125–129; 1973),
...
“Existe uma grandeza
nessa interpretação da
vida; com seus vários
poderes criando poucas ou
uma forma; e que nossa
planeta...
Reprodução
A herança e a variação estão presentes
em todos os níveis.
– Herança – a transmissão certa de atributos
de uma ...
Propriedades da Vida
Programa genético –
proporciona a
fidelidade da
herança.
Programa Genético
A informação genética está codificada no
DNA.
O DNA é uma cadeia comprida de
nucleotídeos – um açúcar, f...
Programa Genético
O código genético é
universal entre os
organismos desde
a bactéria até o
Homem.
– Apóia o conceito
da or...
Herança Mendeliana

Darwin sabia que alguns atributos foram
herdáveis, mas não sabia do mecanismo
da herança.

Gregor Mend...
Herança Mendeliana
Mendel escolheu orvalhas porque têm
vários atributos contrastantes sem
intermediários.
–
–
–
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Orvalha...
Herança Mendeliana
As orvalhas se auto-polinizam ou cruzam
com outras orvalhas.
– Mendel podia controlar os pais.

Mendel ...
Herança Mendeliana
Mendel podia cruzar
flores brancas com
indivíduos com flores
roxas – a geração
parental.
Os resultados ...
Herança Mendeliana
Permite a geração
hibrida F1 para
auto-polinizar para
produzir a geração
F2 com 3 proles
roxas a 1 prol...
Contribuições da Biologia
Celular
Os microscópios permitiram que era
possível estudar a produção de gametas
(ovos e esperm...
Adaptação
A Seleção Natural explica por que os
organismos se moldam para enfrentar
as demandas do ambiente.
A adaptação re...
Unidade na Diversidade
Todo apêndice dos mamíferos compartilham
uma estrutura básica que usa as mesmas
partes, mas evoluír...
O Calendário do Universo de
Carl Sagan
24 dias = 1 bilhão de anos
1 segundo = 475 anos
“Big Bang”
1 de janeiro
Via láctea
...
Contingencia
Sem dúvida houve extinções em massa associadas com a oxigenação da
Terra e a origem da vida eucariótica! Desd...
Contingencia
Uma causa importante da distribuição heterogênea dos organismos,
•em extensões grandes de tempo e espaço, com...
Replicação e Variação
“Seleção Natural”
Radiação Adaptativa
Caos, Contingencia

Evolução

Interação Complexa com o Ambient...
Radiação Adaptativa/Caos/

Evolução

Multicelularidade
Diferencial

Interação Complexa com o Ambiente

Explosão Cambriana ...
Por que a evolução “escolhe” esses
tipos de soluções?
Restrições biológicas
– Física – Energética – Troca – Replicação Qua...
Compressão de MEET no
Desenvolvimento de Estruturas
de Dissipação
Taxa de Densidade de Energia
Livre
Substrato

(ergs/segu...
A Produção Máxima de Entropia de Roderick
Dewar; Compressão de MEET como Teoria de
Informação
A Produção Máxima de Entropi...
Compressão de MEET Como
Efemeralização
In 1938 (Nine Chains to the Moon), o poeta Buckminster
Fuller inventou o termo "Efe...
Os Sistemas Vivos se
Sustentam pela Mudança
Constante

Inércia, persistência

– Capacidade de um sistema vivo de sobrevive...
Ecologia de Populações
Prof. Dr. Harold Gordon Fowler
19-3526-4230
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Propriedades da vida

  1. 1. Propriedades Fundamentais da Vida Ecologia de Populações Prof. Dr. Harold Fowler popecologia@hotmail.com
  2. 2. Ecologia de Populações: Evolução Coma, Sobreviva, Reproduz, Coma, Sobreviva, Reproduz, O que Acontece? Coma, Sobreviva, Reproduz, Coma, Sobreviva, Reproduz,
  3. 3. A Vida tem Organização • Os seres vivos demonstram uma ordem de hierarquia. Uma hierarquia demonstra a interdependência de cada nível • Os níveis básicos de ordem num organismo multicelular geralmente se organizam como: Átomos Moléculas biológicas complexas  Organelas sub-celulares  Células  Tecidos  Órgãos  Sistemas de Órgãos  Organismo complexo.
  4. 4. Os seres vivos são organizados hierarquicamente A organização de seres vivos começa com átomos, que compõem as unidades básicas de elementos. A célula é a unidade estrutural e funcional básica de todo ser vivo. Células distintas combinam para formar tecidos. Os tecidos combinam para formar órgãos. Os órgãos específicos funcionam juntamente como um sistema. Os organismos multicelulares (cada um é um “indivíduo” dentro de uma população e espécie particular) contêm sistemas de órgãos.
  5. 5. Os seres vivos são organizados hierarquicamente Ecossistema
  6. 6. Como Fazer um Organismo Mais Complexo? Pela direção fraca descendente de processos principalmente Ascendentes. Mas em qual substrato? A biologia ascendente é: Velha, devagar e de uso intensivo de recursos Sujeito a plieotropia antagônica/DMA Sujeito a dependência de caminho A tecnologia Ascendente é: Nova, rápida e eficiente Menos Pleiotropia antagônica, devido a modularidade elevada Pouca dependência de caminho cedo no seu desenvolvimento evolutivo. Qual seria o melhor?
  7. 7. Princípios Fundamentais da Ecologia A distribuição heterogênea dos organismos Limites de tolerância; teoria do nicho Interações entre organismos Dinâmica de predador e presa, Efeitos de espécies exóticas Contingencia Extinções em massa; Biogeografia Heterogeneidade ambiental Climatologia; Solos e substratos Recursos finitos e heterogêneos Recursos limitantes; Competição A mortalidade dos organismos Historias vitais; Alocação de energia aos processos vitais A causa evolutiva de propriedades ecológicas Adaptação; Seleção Natural S.M. Scheiner e M.R. Willig. A general theory of ecology. Theor Ecol. (2008) 1:21–2
  8. 8. O que é uma propriedade emergente? Propriedades que aparecem ao aumentar a complexidade. São produtos da interação dos componentes do inteiro. O total é maior do que a soma de suas partes.
  9. 9. Propriedades Fundamentais da Vida A vida tem propriedades emergentes? – O que é a vida? Não existe nenhuma definição simples. A historia de vida demonstra uma mudança extensiva e contínua conhecida como a evolução. A resposta precisa se basear na historia comum da vida na Terra.
  10. 10. Propriedades Emergentes • Propriedade Emergente = Atributo criado como o resultado das interações entre os componentes. – Novos tipos de Ordem: processos, consciência – Formas diferentes de Reprodução: assexuada e sexual – Crescimento e Desenvolvimento – Uso de energia – Resposta ao ambiente – Homeostase: Controle do ambiente interno – Adaptação evolutiva: Mudança em resposta a seleção natural
  11. 11. Mecanismos de Formação de Padrões Relações entre mecanismos de ativação e inibição e mecanismos de atração e repulsão + ACTIVATEUR Ativador - Compartilham um mecanismo comum – Ponto de partida: um substrato homogêneo (padrão diferente ou ausente) – Retroalimentação positiva (ativação local ou taxa de atração para agregar tamanho) – Retroalimentação negativa (inibição de larga distancia, desgaste nos indivíduos) - + INHIBITEUR Inibidor Força da Atração Degradação Difusão lenta Degradação Difusão rápida + Efeito de pouca alcance + CONSUMO DE PARTICULA LIVRE Efeito de grande alcance
  12. 12. Propriedade Emergente Tecido suave de cobertura que permite a difusão, filtração e secreção (propriedade não presente nas células individuais – não formam uma barreira sozinha). Célula endotelial Propriedades Emergentes Camada de células endoteliais Célula endotelial Capilária Capilárias transportam sangue (propriedade não demonstrada no tecido plano das células do endotelial).
  13. 13. Propriedades Fundamentais da Vida A historia comum data desde as diversas formas de vida atual se originaram de um ancestral comum como constado no registro fóssil na atmosfera primitiva da Terra. A historia da descendência da vida com modificações proporciona uma identidade a vida que separa a vida do mundo inorgânico.
  14. 14. Propriedades da Vida Unicidade química – os sistemas vivas demonstram uma organização molecular complexa e única.
  15. 15. Unicidade química Os organismos vivos juntam as moléculas grandes – macro-moléculas – que são mais complexas do que as moléculas da matéria não orgânica. – As mesmas leis químicas são válidas. – Quatro categorias de macro-moléculas biológicas: Ácidos nucléicos Proteínas Carboidratos Lipídios
  16. 16. Unicidade química Esses quatro grupos diferem em: – Componentes – Tipos de ligações químicas – Funções As macro-moléculas evoluíram cedo na historia da vida. As macro-moléculas são encontradas em toda forma vital.
  17. 17. Unicidade química As proteínas se constituem de 20 sub-unidades de ácidos aminos diferentes. A variabilidade enorme permite uma diversidade de proteínas e conseqüentemente de formas vivas. Os ácidos nucléicos, carboidratos e lipídios também estão organizadas de forma que os sistemas vivos tem um potencial grande de diversidade.
  18. 18. Propriedades da Vida Complexidade e a Organização Hierárquica – as moléculas se organizam em padrões nos seres vivos que não existe no mundo inorgânico.
  19. 19. Propriedades da Vida Metabolismo – os organismos vivos se mantêm por a aquisição de nutrientes do ambiente. O metabolismo inclui todas as reações químicas que ocorrem dentro do organismo. – Digestão – Respiração – Síntese de moléculas e estruturas
  20. 20. Metabolismo O metabolismo inclui reações destrutivas (catabolizas) e construtivas (anabólicas). Essas reações inclui a síntese dos quatro tipos de macro-moléculas e a quebra de ligações para recuperar a energia embutida. Fisiologia – o estudo das funções metabólicas complexas.
  21. 21. Lei de Construção de Adrian Bejan: Compressão de MEET como uma Imperativa Termodinâmica “Para a persistência de um sistema de fluxos (vida) no tempo precisa proporcionar um acesso mais fácil [no espaço e no tempo] as correntes [matéria e energia] dos fluxos.” Shape and Structure, From Engineering to Nature, Adrian Bejan, 2000; “Survival of the Likeliest,” John Whitfield, PLoS Biol. 2007 May; 5(5): e142
  22. 22. Propriedades da Vida Desenvolvimento – Todo organismo passa por estágios característicos de seu ciclo vital. O desenvolvimento inclui as mudanças características que um organismo passa desde o começo (usualmente um ovo fertilizado) até alcançar a maturidade.
  23. 23. Desenvolvimento Metamorfose – transformação de um estágio vital em outro. – Girino em sapo – Lagarta em mariposa
  24. 24. O Desenvolvimento e a Evolução Qual o papel do desenvolvimento na geração de novas formas de seres vivos? O desenvolvimento introduz algum viés na direção da evolução?
  25. 25. Por muito tempo o estudo do desenvolvimento e da evolução andaram separados Isso mudou recentemente 1977 1992 2005
  26. 26. Alguns elementos-chave Genes importantes codificam para fatores de transcrição Eles regulam outros genes interagindo com ativadores Há redes regulatórias Mudanças podem ser – regulatórias – codificastes
  27. 27. Os genes HOX Genes HOX controlam a identidade de segmentos, controlando a transcrição de vários genes numa região específica Eles são genes “seletores”, pois selecionam o destino daquele segmento Sem Ubx?
  28. 28. Variação em genes HOX e na morfologia Uma expectativa razoável: organismos muito diferentes terão genes de desenvolvimento muito diferentes.
  29. 29. Variação em genes HOX e na morfologia Uma expectativa razoável: organismos muito diferentes terão genes de desenvolvimento muito diferentes O que se viu: alta conservação dos genes HOX, e outros ligados ao desenvolvimento. Dois principais sinais de diversificação Implicação: inovação morfológica pode ocorrer sem que haja grande mudança nos genes Mesmos genes usados de novas maneiras!
  30. 30. Conservação de função Pax6 e sem olhos A conservação de sequência também se reflete num aspecto funcional (o que eles fazem ao nível molecular)
  31. 31. Conservação de função Desafiando noções sobre homologia Homologia: estruturas partilhadas por descendência de um ancestral comum Gene Gene Padrão de expressão Mecanismo de desenvolvimento Estrutura anatômica
  32. 32. Quais as características do ancestral comum dos animais? Carroll et al., 2005
  33. 33. Modos de evolução do desenvolvimento Carrol, 2005 Evolução da regulação (inferido a partir de conservação de regiões codificantes). Permite modularização Evolução de proteínas (evolução de raças de cães, que mudaram aspectos funcionais de suas proteínas) Co-opção para nova função: uso de Dll em diferentes momentos do desenvolvimento Futuyma, 2005
  34. 34. Co-opção molecular Dll em apêndices e manchas alares Genes Hox no padrão A-P e na formação dos apêndices Futuyma, 2005
  35. 35. Modos de evolução do desenvolvimento HOX pode se manter e mudar “alvo” OU Evolução de local e tempo de expressão dos genes HOX Há vários exemplos, vamos ver o da evolução de colunas dorsais em alguns vertebrados HoxB5, HoxC8, HoxC6
  36. 36. Inferências de homologias numa escala temporal mais restrita Asas de insetos são brânquias modificadas (visíveis pois partilham expressão de Hox) Em aranhas, pulmões, traqueias e fiandeiras, expressam os mesmos genes que brânquias de crustáceos e asas de insetos De onde veem as diferenças? – diferenças nos interruptores disponíveis para os HOX
  37. 37. Modos de evolução do desenvolvimento co-opção modularidade: organização de animais em componentes anatomicos e de desenvolvimento – permite dissociação entre formas de diferentes estruturas (ex. eixos e patas são módulos distintos) – modularização da morfologia depende de módulos reguladores
  38. 38. Alguns desafios O que domina: seleção ou viés causado por desenvolvimento? E o conceito de homologia? Os padrões de expressão importam? Como a evo-devo muda nossa visão neodarwiniana? – há macroevolução? – A microevolução (agora com base molecular) continua valendo?
  39. 39. Ciclo Vital do Desenvolvimento Evolutivo Replicação Estrutura estável no espaço e tempo, transmissível parcialmente por marcos internos (DNA) e parcialmente por marcos externos (ambiente universal). No tempo os marcas ficam mais internos. Variação Capacidade de codificar “a variedade necessária” das respostas adaptativas a mudanças ambientais, para preservar a integridade, para criar novidade. Interação (Complexa, Limites de Espaço e Tempo) A exploração inicial do espaço de fase favorece a seleção natural, a exploração inteira (“canalização”) favorece a seleção de desenvolvimento. Seleção (Seleção “Natural/Evolutiva”) Aleatória, produtores de informação. Convergência (Seleção de “Desenvolvimento”) otimizado, eficiente em MEET.
  40. 40. Evolução e Desenvolvimento Gêmeos idênticos A Evolução cria quase todos os padrões locais únicos. O Desenvolvimento cria os padrões globais previsíveis.
  41. 41. O Desenvolvimento Somente poucos centenas de genes de desenvolvimento “controlam” um caos molecular evolutivo imenso. Os dois gêmeos genéticos aparentem ser idênticos. Como é possível? Eram ciclicamente ajustados para uma ordem emergente convergente específica ao futuro, num nicho estável de desenvolvimento. Origination of Organismal Form, Müller e Newman, 2003
  42. 42. Evolução, Sistemas, e o Desenvolvimento As bolas travessam o paisagem (sistema), cada um com um caminho não previsível (evolutivo). Porém os caminhos convergem previsivelmente (desenvolvimento) no fundo de cada vale.
  43. 43. Biogênese de Desenvolvimento Eric Smith, Instituto de Santa Fe As reações químicas pré-bióticas potenciais formam um ‘espaço de possibilidades’ enorme na paisagem energética. Um subconjunto desses produzem ciclos químicos que se reproduzem e se variam, criando informação e modificando permanentemente o ambiente de seleção (“construção de nichos”). Emergem uma série de caminhos de baixa energia que limitam a paisagem. “Qual problema tinha a Terra pré-biótica que foi resolvida pela evolução da vida?”
  44. 44. Quantos Olhos são Ótimos no Desenvolvimento? A evolução já fez esse experimento. O desenvolvimento calculou o ótimo operacional. Alguns repteis (Xantusia vigilis,) e alguns salamandras ainda retém o terceiro olho (“pineal”) vestigial.
  45. 45. Evolução e Desenvolvimento: Dois Processos Universais Evolução Desenvolvimento Criatividade Chance Aleatoriedade Variedade/vários Possibilidades Unicidade Incerteza Acidental Ascendente Divergente Diferenciação Descobrimento Necessidade Determinismo Unidade/único Limitações Igualdade Previsibilidade Desenho (auto-organizado) Descendente Convergente Integração Cada representa pares da dicotomia fundamental, opostos polares, modelos conflitantes para entender a mudança universal. Ambos processos têm valor de explicação em contextos diferentes. A questão principal é quando, onde e como interagir.
  46. 46. Os limites do Controle Descendente: Esperteza da Engenharia é Difícil Fazer Camundongos “Doogie Howser”. Cópias extras do receptor 2B de NMDA (NR2B) melhoram a potenciação a largo prazo (LTP). Tinham memórias melhores mas ficaram mais sensíveis a dor. Criação para inteligência em cachorros, carvalhos e outros animais domésticos tem efeitos limitados comparado com animais selvagens (Pointer versus o Cão Selvagem). Toda a neurofarmacologia sempre tem uma resposta forte a dosagem e desregularão os receptores, e todos causam danos a largo prazo. Parte desse dano é adaptativo (anxioliticos, antidepressivos.) © 2007 Accelerating.org Pointer Cão Selvagem Africano
  47. 47. Propriedades da Vida A interação ambiental – Os seres vivos interagem com seus ambientes.
  48. 48. Interação Ambiental Ecologia é o estudo da interação de organismos e seu ambiente
  49. 49. Propriedades da Vida Movimento – os sistemas vivos e suas partes demonstram um movimento preciso e controlado dentro do sistema. – Os sistemas vivos extraem energia do ambiente e o que proporciona os movimentos controlados.
  50. 50. Movimento O movimento ao nível celular é necessário para: – Reprodução – Crescimento – Respostas aos estímulos – Desenvolvimento de organismos multicelulares
  51. 51. Movimento Numa escala maior: – Populações ou espécies inteiras podem se dispersar de uma localidade geográfica a outra no tempo. Movimento de matéria inorgânica: – Não controlado finamente pelos objetos em movimento. – As vezes envolve forças externas.
  52. 52. Propriedades da Vida Reprodução – Sistemas vivos se reproduzem!
  53. 53. Reprodução Os genes se replicam para formar genes novos. As células se dividem para produzir células novas. Os organismos se reproduzem para formar organismos novos. Populações podem se dividir para formar populações novas. Ainda as espécies podem se dividir para produzir espécies novas - especiação.
  54. 54. Não me interessa a origem da Vida! Mas, sim a origem de espécies Seleção Natural
  55. 55. Evolução A Ecologia e a Evolução são intimamente conectadas
  56. 56. Ecologia = o estudo das interações entre os organismos e o ambiente (as condições físicas, químicas e biológicas) Evolução = mudanças na composição genética de uma população de geração a geração = mudança da freqüência alelíca em populações com o tempo (alelos são versões diferentes do mesmo gene)
  57. 57. Evolução
  58. 58. Árvore de Vida de Ernst Haeckel (1866) Árvore da Vida Woesiana Micróbios há 3.5 Bilhões de anos O Homem há 130,000 anos na África
  59. 59. Por que a Genética e a Evolução numa disciplina da Ecologia? Conceitos unificantes => Todo organismo vivo usa as mesmas regras do jogo
  60. 60. Teorias da Evolução Origem Mitos /Cosmologias – Grego – Prometeu – Genesis Exemplos ociedentais Esquerda: Prometeu e Atena Acima: Deus e Adão
  61. 61. Outras Teorias O Criacionismo explica a diversidade biológica com referencia ao ato divino da criação descrito em Genesis. O Catastrofismo é uma versão modificada do Criacionismo, que explica o registro fóssil por desastres globais que extinguiram as espécies no registro fóssil que foram substituídas por novas espécies criadas. O Desenho inteligente afirma que a física moderna e a cosmologia tem evidências de estruturas inteligentes do universo e essa inteligência aparenta atuar pensando em nós e que o universo inteiro demonstra evidencia de desenho.
  62. 62. Evolução é essencial para toda biologia “Nada da biologia tem sentido exceto a luz da evolução” (Dobzhansky, 1973)
  63. 63. Ecologia é essencial para entender a evolução “Nada da biologia tem sentido exceto a luz da evolução” (Dobzhansky, 1973) “A Ecologia proporciona o palco no qual a peça evolutiva é apresentada” “ Nada na evolução tem sentido execta a luz da ecologia ” (Townsend, Harper e Begon, 2000)
  64. 64. No artigo famoso, "Nothing in biology makes sense except in the light of evolution" (Am. Biol. Teach. 35, 125–129; 1973), Dobzhansky descreveu suas crenças religiosas: “É errada afirmar que a criação e a evolução como alternativas mutuamente exclusivas. Sou criacionista e evolucionista. A evolução e o método Divina, ou Natural, da criação.“ Dobzhansky aceitou a macroevolução e a idade documentada da Terra. Ele argumentou que “o Criador criou o mundo vivo não por acaso (fato supernatural) mas pela evolução movida pela seleção natural".
  65. 65. “Existe uma grandeza nessa interpretação da vida; com seus vários poderes criando poucas ou uma forma; e que nossa planeta roda segundo a lei fixa da gravidade, desde um começo simples muitas formas maravilhosas e belas evoluíram, e ainda se evoluíam.”
  66. 66. Reprodução A herança e a variação estão presentes em todos os níveis. – Herança – a transmissão certa de atributos de uma geração para a próxima. – Variação – produção de diferencias entre os atributos dos indivíduos. Resultado: as proles são similares aos pais mais não são copias exatas
  67. 67. Propriedades da Vida Programa genético – proporciona a fidelidade da herança.
  68. 68. Programa Genético A informação genética está codificada no DNA. O DNA é uma cadeia comprida de nucleotídeos – um açúcar, fosfato + base nitrogênio (A, C, G, e T). – A seqüência de nucleotídeos codifica a ordem dos ácidos aminos na proteína especificada. O código genético
  69. 69. Programa Genético O código genético é universal entre os organismos desde a bactéria até o Homem. – Apóia o conceito da origem singular da vida.
  70. 70. Herança Mendeliana Darwin sabia que alguns atributos foram herdáveis, mas não sabia do mecanismo da herança. Gregor Mendel realizou experimentos com orvalhas que resultaram num entendimento de como a herança dos cromossomos funciona.
  71. 71. Herança Mendeliana Mendel escolheu orvalhas porque têm vários atributos contrastantes sem intermediários. – – – – Orvalhas verdes versus amarelas Plantas altas versus baixas Orvalhas rugosas versus lisas Flores roxas versus brancas
  72. 72. Herança Mendeliana As orvalhas se auto-polinizam ou cruzam com outras orvalhas. – Mendel podia controlar os pais. Mendel sempre começou com pais iguais. – por exemplo, os pais de flores brancas que se auto-polinizam sempre produzem proles de flores brancas.
  73. 73. Herança Mendeliana Mendel podia cruzar flores brancas com indivíduos com flores roxas – a geração parental. Os resultados foram proles roxas na geração F1.
  74. 74. Herança Mendeliana Permite a geração hibrida F1 para auto-polinizar para produzir a geração F2 com 3 proles roxas a 1 prole branca. Mendel fez registros quantitativos que permitam a procura de padrões. Geração parental Geração F1 Geração F2
  75. 75. Contribuições da Biologia Celular Os microscópios permitiram que era possível estudar a produção de gametas (ovos e espermas). Se podia observar o movimento dos cromossomas. Resultado: a teoria de cromossomas da herança. – A informação herdada se encontra nos cromossomas.
  76. 76. Adaptação A Seleção Natural explica por que os organismos se moldam para enfrentar as demandas do ambiente. A adaptação resulta quando os variantes mais favoráveis acumulem no tempo evolutivo.
  77. 77. Unidade na Diversidade Todo apêndice dos mamíferos compartilham uma estrutura básica que usa as mesmas partes, mas evoluíram uma variedade diversa de adaptações, como a asa de um morcego, a nadadeira de uma baleia e um braço humano.
  78. 78. O Calendário do Universo de Carl Sagan 24 dias = 1 bilhão de anos 1 segundo = 475 anos “Big Bang” 1 de janeiro Via láctea Via láctea 1 de maio Solar System 9 de setembro Vida na Terra 25 de setembro Primatas hominídeas 31 de dezembro as 22:30
  79. 79. Contingencia Sem dúvida houve extinções em massa associadas com a oxigenação da Terra e a origem da vida eucariótica! Desde então, houve cinco extinções em massa (devido a várias causas):! – Ordoviciano –Siluriano " (~438 Maa): 85% das espécies! – Devoniano tarde Carbonífero cedo (367" Maa): 82% das espécies! – Permiano -Triásico" (~250 Maa): 96%" Das espécies! – Triásico -Jurássico" (~202 Maa): 76% das espécies! – Cretáceo -Terciário" (65 Maa): 70% das espécies!
  80. 80. Contingencia Uma causa importante da distribuição heterogênea dos organismos, •em extensões grandes de tempo e espaço, como a origem de uma espécie num continente particular • e em extensões pequenas, como onde queda uma semente
  81. 81. Replicação e Variação “Seleção Natural” Radiação Adaptativa Caos, Contingencia Evolução Interação Complexa com o Ambiente Desenvolvimento Evolutivo Seleção e Convergência “Seleção Convergente” Emergência, Ótimos globais Compressão de MEET Desenvolvimento
  82. 82. Radiação Adaptativa/Caos/ Evolução Multicelularidade Diferencial Interação Complexa com o Ambiente Explosão Cambriana (570 maa) Bactéria  Insetos Invertebrados Seleção/Emergência/ Colapse de MEET Desenvolvimento Vertebrados 35 planos corporais foram criados no Cenozoico. Nenhum plano corporal novo foi criado após. Somente aparecem novos planos de cérebros, construídos sobre dos planos corporais. “O tempo é a forma da natureza para evitar que todo acontece de uma vez.”— Woody Allen
  83. 83. Por que a evolução “escolhe” esses tipos de soluções? Restrições biológicas – Física – Energética – Troca – Replicação Quantidade limitada de informação genética Quantidades enormes de – Morfogênese – Fisiologia complexidade – Comportamento  a auto-organização é uma solução para esse problema
  84. 84. Compressão de MEET no Desenvolvimento de Estruturas de Dissipação Taxa de Densidade de Energia Livre Substrato (ergs/segundo/grama) Galáxias Estrelas Planetas (Iniciais) 0.5 2 (contra intuitiva) 75 Cérebros (Homem) Cultura (Homem) Combustão interna Jatos 150,000(10^5) 500,000(10^5) (10^6) (10^8) Plantas Animais/ Genética Chips Pentium 900 20,000(10^4) (10^11) Eric Chaisson, Cosmic Evolution, 2001 Ф tempo
  85. 85. A Produção Máxima de Entropia de Roderick Dewar; Compressão de MEET como Teoria de Informação A Produção Máxima de Entropia (PME) (por medida de MEET) é o comportamento mais provável de um sistema aberto não equilibrado constituído de vários elementos que interagem, se o sistema fica livre para escolher (evolutivamente) seu estado e não sujeito a forças externas fortes. No tempo evolutivo, os organismos dominantes são aqueles que são melhores em degradar rapidamente os fluxos de energia na conversão desses em entropia não local, e o aumento de ordem local. Maximum Entropy Production and NonEquilibrium Statistical Mechanics; and “Survival of the Likeliest,” John Whitfield, PLoS Biol. 2007 May; 5(5): e142
  86. 86. Compressão de MEET Como Efemeralização In 1938 (Nine Chains to the Moon), o poeta Buckminster Fuller inventou o termo "Efemeralização,” afirmando que na natureza, “todas as progressões são do material ao abstrato" e que "eventualmente alcança o estágio elétrico.“ (ou seja, envia pedaços virtuais ao mundo físico) Devido aos princípios como a superposição, ondas negativas e tunelamento, o mundo do quantum (elétron, fóton, e outros) aparentam ser ainda mais efêmeros do que o mundo da eletricidade coletiva. Em 1981 (Critical Path), Fuller definiu a efemeralização como, “a produção invisível química, metalúrgica e eletrônica de performance sempre mais eficiente e satisfatória com menos investimento no peso e volume de materiais por unidade de função realizada". Em Synergetics 2, 1983, ele o definiu como “o princípio de fazer mais com menos tempo e energia por cada nível de performance funcional” Essa tendência também é conhecida como “virtualização,” “sem peso,” e Compressão de Matéria, Energia, Espaço e Tempo (MEET), eficiência, ou densidade.
  87. 87. Os Sistemas Vivos se Sustentam pela Mudança Constante Inércia, persistência – Capacidade de um sistema vivo de sobreviver perturbações moderadas Resilencia – Capacidade de um sistema vivo de restauração após de uma perturbação moderada Ponto de mutação
  88. 88. Ecologia de Populações Prof. Dr. Harold Gordon Fowler 19-3526-4230 popecologia@hotmail.com

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