Propriedades emergentes

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Propriedades Emergentes

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  • 1. Prof. Dr. Harold Gordon Fowler popecologia@hotmail.com
  • 2. Heterogeneidade ambiental Na biologia nada é constante! Os organismos individuais que estão vivos hoje podem estar mortos amanhã (todo organismo eventualmente morre)! As populações mudam de tamanho e estrutura, como distribuições etárias e frequências alélicas! As mudanças podem acontecer em duas escalas diferentes: temporal (referente ao tempo) e espacial (referente ao espaço)! Os organismos precisam lidar com mudanças temporais, como estações, ou mudanças climáticas globais ou regionais! Os organismos e populações também precisar lidar com mudanças espaciais se habitam um habitat heterogêneo e/ou dispersam muito! Alguns habitats são espacialmente mais complexos e outros mais simples! As comunidades mudam no tempo (sucessão) e espacialmente. Os ecossistemas mudam junto com as comunidades que contêm.
  • 3. Organismos de ponto de vista de físicos Nada no processo da física ou a química predispõe os arranjos moleculares de ocorrer nas relações altamente funcionais diferente das relações não funcionais mais comuns. As transações entre sistemas ordenados e o ambiente tende a desordem essas relações, resultando eventualmente num estado de desordem chamado a morte. Contrasta com os objetos não vivos. Não altamente organizada, difícil de ver o desenho funcional de atributos como tempestades solares 3
  • 4. Ordem Funcional Termodinâmica: O ordem funcional não ocorre espontaneamente
  • 5. Ordem Funcional Sub-conjunto de ordenamentos funcionais é muito menor do que conjuntos não funcionais = Ordenamentos funcionais altamente não prováveis Ordenamentos não funcionais A segunda lei da termodinâmica: Os sistemas físicos tendem deslocar a estados mais prováveis, tendem se deslocar da organização ao caminho a desordem máximo (entropia).
  • 6. Ordem Funcional “É a aversão ao decaimento rápido a um estado inerente que o organismo se aparenta tão enigmático” Shrödinger (1944) Por isso para estudar seres vivos precisamos confrontar as perguntas:
  • 7. Ordem Funcional Por que os seres vivos atingem um nível elevado de ordem não encontrado e no abiótico? De onde vêm? Por que é ordem funcional? Na historia da vida, o que causa um aumento de ordem acumular tanto no tempo geológico? Durante a longevidade individual, o que causa os organismos começar como células únicas e depois crescem de ordem contra a entropia? O Homem  populações celulares de trilhões Por que se replicam?
  • 8. 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.
  • 9. Emergência A cada nível novo de organização, novas características ficam aparentes. Essas características novas são propriedades emergentes. Emergência é o processo pelo qual a assembléia quebra ou a reestruturação do sistema resulta em um ou mais propriedades emergentes novas.
  • 10. Organização Hierarquia Cada nível de organização é mais complexo do que o nível hierárquico inferior. Cada nível de organização tem propriedades emergentes devido as interações entre as partes que compõem o inteiro; toda propriedade emergente segue as leis da física e da química.
  • 11. Taxonomia Os biólogos utilizam a “ordem” do sistema para agrupar os organismos por a taxonomia As esquemas taxonômicas mudam com nosso entendimento da natureza. As pesquisas moleculares resultaram em mudanças revolucionarias Reino (Animalia) Filo (Cordata) Classe (Mammalia) Ordem (Primata) Família (Hominidae) Gênero (Homo) Espécie (sapiens)
  • 12. Propriedades Emergentes
  • 13. Complexidade e Organização Hierárquica Novas características podem aparecer em qualquer nível de organização – propriedades emergentes. As propriedades emergentes dependem das características dos níveis hierárquicos inferiores – em parte. – O desenvolvimento da fala precisa da audição. – Mas, várias idiomas diferentes evoluíram.
  • 14. Explicação baseada no Nível Uma propriedade emergente de um nível não tem sentido ao nível inferior Agrupamento (macro) de uma ave solitária (micro) Consciência de um neurônio?
  • 15. Propriedades Emergentes Ao examinar níveis superiores de uma hierarquia, propriedades novas emergem que são difíceis prever das propriedades de níveis inferiores Assim, existem propriedades de grupos de itens que são difíceis prever do estudo de itens individuais em forma isolada
  • 16. 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.
  • 17. Propriedades Emergentes Quais são os mecanismos da integração de subunidades numa estrutura coerente?
  • 18. Definições O que é a auto-organização em sistemas naturais? A auto-organização é um processo pelo qual padrão a escala global de um sistema emerge lentamente das numerosas interações entre o componentes de níveis inferiores do sistema. [Deneubourg 1977] Mas, as regras que especificam as interações entre os componentes do sistema se realizam usando somente a informação local, sem referencia ao padrão global. Ou seja, o padrão é uma propriedade emergente do sistema em vez de uma propriedade imposta por influencias externas.
  • 19. Definições O que é uma propriedade emergente ? Muitos Agentes Regras Simples Condições Muitas interações Descentralização Propriedades Emergentes Não podem ser reduzidas Nível Macro (ordem de magnitude de diferencia Efeito de retro-alimentação no nível micro Observação
  • 20. Aceleração da Emergência Tempo até o próximo evento (anos) Mudança de paradigmas em 15 listas de eventos chaves Ray Kurzweil, 2006 Tempo antes do presente (anos)
  • 21. Auto-Organização em Sistemas Naturais Muitos agentes Descentralização Muitas interações Regras Simples Propriedades Emergentes
  • 22. Auto-Organização em Sistemas Naturais Vantagens adaptativas de sistemas que se auto-organizam, incluso populações – Robustez – Tolerância de erro – Auto-reparo – Facilidade de implementação – Agentes simples.
  • 23. Auto-Organização em Sistemas Naturais Por que é importante? – Muitos sistemas biológicos evoluíram soluções descentralizadas para os desafios vitais. – Por meio da auto-organização, a evolução moldou muitas soluções simples e eficientes para resolver problemas complexos.
  • 24. Níveis de Hierarquia Organizacionais sub-organismo organismo inteiro população comunidade ecossistema paisagem As separações e distinções entre os níveis são artificiais (Vitousek 1990) Devemos entender processos de pelo menos um nível superior e inferior a nosso nível de interesse
  • 25. Níveis Hierárquicos da ecologia População (Ecologia de Populações) – Grupo de indivíduos que cruzam entre eles Comunidade (Ecologia de Comunidades) – Grupo de espécies que moram na mesma área e interagem Ecossistema (Ecologia doe Ecossistemas) – Comunidade mais as partes abióticas do ambiente
  • 26. Propriedades do grupo populacional População: grupo de organismos da mesma espécie que ocupa um espaço determinado e funciona como parte de uma. • número de indivíduos: - alimentos; - predação; - lugares para ninhos; - e outros; •Manchas de habitat adequado = sub-populações; As populações tem propriedades emergentes:
  • 27. Propriedades de Populações -Leva em consideração os aspectos biológicos da ecologia – a interação dos organismos entre eles, conforme seu funcionamento nos ecossistemas; Os seres humanos não formam a única população que modifica ou tenta controlar o ambiente – os organismos não se adaptam de forma pacífica às forças físicas e químicas da natureza, mas modificam e regulam ativamente o ambiente físico dentro dos limites impostos pelas leis naturais; -O foco biótico das populações e das comunidades – níveis determinantes sobre a interação entre sistemas genéticos e o ambiente, que determina o curso da seleção natural – não apenas a forma como os organismos individuais otimizam a sua sobrevivência, mas também a maneira pela qual os ecossistemas como um todo modificam-se e estão se modificando ao longo do tempo evolutivo.
  • 28. Propriedades de Populações As populações tem propriedades emergentes de grupo que são únicas ao grupo e não se apresentam em indivíduos – Indivíduos vivem ou morrem; podem ou não reproduzir, podem ou não migrar; – As populações tem taxas de mortalidade, natalidade, emigração e imigração. – Ao dividir essas taxas pelo número de indivíduos na população, resulta em taxas por indivíduo ou per capita
  • 29. Características de Populações A ecologia de populações estuda os organismos examina o tamanho e estrutura das populações; ambos são propriedades emergentes de populações, não como indivíduos A ecologia de populações também é o estudo das interações dentro das populações ( as interações intraespecíficas) As populações são grupos de membros da mesma espécie que se interagem (indivíduos que podem cruzar) Podemos caracterizar as populações individuais em termos de … • Tamanho (médio versus variabilidade) • Densidade (e impactos no tamanho; dependência de densidade) • Padrões de dispersão • Demografia (estrutura etária, razão sexual) • Taxas de crescimento (ou declínio) • Limites do crescimento populacional
  • 30. Populações tem propriedades emergentes Essas propriedades são conseqüências de como um organismo interagem com o ambiente, e com outros organismos, os quais influenciam sua evolução. – – – – – – – Tamanho Densidade Padrões de Dispersão Estrutura Etária Estrutura Espacial Razão Sexual Variabilidade
  • 31. Propriedades Emergentes de Populações As populações tem estruturas emergentes…. - manadas; caça cooperativa, reprodução tardia indivíduos Nascem e morrem Dispersam populações taxas de nascimento e mortalidade taxas de imigração e emigração Extinção Estruturas populacionais Evoluem
  • 32. Populações tem propriedades emergentes Essas propriedades são conseqüências de como um organismo interagem com o ambiente, e com outros organismos, os quais influenciam sua evolução. – – – – – – – Tamanho Densidade Padrões de Dispersão Estrutura Etária Estrutura Espacial Razão Sexual Variabilidade
  • 33. Propriedades de Populações Padrão estática da população – propriedade de uma população que pode ser avaliada com uma medida ou estimativa num momento único do tempo (uma “fotografia”) Padrão dinâmica da população – propriedade de uma população que somente pode ser avaliada com medidas ou estimativas em dois ou mais pontos do tempo
  • 34. População Padrão estática da população Pode ser descrito pela demografia – Estadísticas vitais como tamanho, densidade, distribuição, e estrutura etária
  • 35. Padrão estática da população Amplitude geográfica – a distribuição global de uma população
  • 36. DISTRIBUIÇÃO DA POPULAÇÃO Padrão estática da população •Amplitude geográfica!!! Todas as áreas ocupadas durante o ciclo de vida; •Extensão da distribuição de uma população – influências: - competidores; - patogênicos; - barreiras à dispersão; - clima; - topografia; - química e textura do solo; - presença ou ausência de habitats adequados;
  • 37. Padrões de Dispersão Padrão estática da população Dispersão – o padrão de espaçamento entre os indivíduos
  • 38. Dispersão Populacional MMMMMMM MMMMMMM MMMMMMM
  • 39. Estrutura Espacial Padrão estática da população A escala importa muito na descrição da distribuição espacial de uma espécie. Uma espécie pode ser agregada numa escala grande, mas com distribuição regular numa escala menor. – Exemplo: As formigas saúvas, Atta sp. Se agregam em áreas de habitat favorável. Dentro dessas áreas, seus ninhos tem distribuição regular devido as interações agressivas entre sauveiros.
  • 40. Estrutura etária Padrão estático da população Os números relativos de organismos em cada sexo e idade dentro de uma população – Diagramas da estrutura etária representam a estrutura etária da população
  • 41. Distribuição etária: -influencia na natalidade e na mortalidade; -as proporções dos grupos etários de uma população determinam o estado reprodutivo atual da população e indicam o que se esperar do futuro: populações em crescimento rápido – grande proporção de indivíduos jovens; população estacionária: distribuição uniforme das classes de idade; população em declínio: proporção maior de indivíduos velhos -uma população pode passar por mudanças na estrutura etária sem mudar o seu tamanho; -as populações possuem uma distribuição etária estável (normal) para a qual tendem as distribuições etárias reais; -estrutura etária expressa por três idades ecológicas: préreprodutiva, reprodutiva e pós-reprodutiva.
  • 42. Razão Sexual Padrão estático da população A razão sexual é a proporção dos indivíduos de cada sexo. O número de fêmeas é mais importante para o crescimento de populações – Exemplos: alces; menos machos da idade reprodutiva do que as fêmeas; os machos cruzam com mais de uma fêmea. Vespas: Melittobia sp. Podem ter centenas de fêmeas por macho. Esses machos nunca saem do ninho e cruzam com suas irmãs. O crescimento populacional é assim independente do número de machos. Em espécies monógamas, uma razão sexual de 50/50 maximiza o crescimento populacional
  • 43. Estrutura Sexual Padrão estático da população A razão sexual humana é o número de machos por 1000 fêmeas numa população. O nascimento de machos excede consistentemente o nascimento de fêmeas por razões biológicas e sociais. Por exemplo, mais casais decidem completar a sua família após o nascimento de um filho de que se nasce uma filha. No Brasil 105 meninos nascem para cada 100 meninas. Mas, após o nascimento a diferencia começa cair e eventualmente as fêmeas são mais numerosas que os machos, porque em cada idade a mortalidade masculina é maior do que a mortalidade feminina. Esse processo ocorre mais rapidamente nos países mais pobres onde a mortalidade infantil é muito maior nos machos do que nas fêmeas, e a diferencia desaparece dentro de um ano de vida. No Brasil, as mulheres constituem 74% da população de 85 ou mais anos de idade.
  • 44. Razão Sexual Padrão estático da população A razão sexual de uma população afeita sua taxa de crescimento. Após um ano Razão maior de machos Após um ano Razão maior de fêmeas
  • 45. Padrão dinâmica da população A amplitude geográfica, tamanho populacional, densidade, e dispersão espacial podem mudar o tempo
  • 46. Padrão dinâmica da população Crescimento populacional local (envelhecimento + reprodução local) Distribuição atual Distribuição potencial Dispersão de propágulos
  • 47. Dinâmica Populacional Nascimentos Imigração Adição de indivíduos as populações Tamanho populacional Retirada de indivíduos de populações Emigração Mortes
  • 48. Padrão dinâmica da população O que é a demografia populacional? O estudo de flutuações populacionais devido a nascimento, imigração, morte e emigração (BIDE) + fatores importantes a estrutura populacional: idade, razão sexual + historia vital Nascimentos Imigração Tamanho populacional Mortes Emigração
  • 49. População Padrão dinâmica da população Cada população pode ser parâmetros dinâmicos de: descrita pelos Taxa de natalidade (total N=∆N+/∆t ou porcentagem N%=(∆N+/No∆t)*100 ou Nstat=(∆N+/No∆t)*1000) Taxa de mortalidade (calculada da mesma forma do que a natalidade - M=∆N-/∆t) Taxa de crescimento (R = M – N) Taxas de Migração
  • 50. Os processos biológicos dinâmicos influenciam a densidade, dispersão, e demografia
  • 51. Os processos biológicos dinâmicos influenciam a densidade, dispersão, e demografia Padrão dinâmica da população Abundancia > O tamanho populacional pode aumentar, cair, flutuar ou ficar constante no tempo Tempo >
  • 52. Padrão dinâmica da população Previsão de idade
  • 53. Condições para uma Hierarquia `perfeita´ 1: Cada componente da hierarquia é designado a somente um nível 2. Cada componente é parte de somente um componente a cada nível acima dele (excluindo os componentes a nível superior) 3. Cada componente é composto somente de componentes do nível próximo mais baixo (excluindo os componentes a nível inferior)
  • 54. Aprendemos um método de três passos, 3 Níveis numa Hierarquia Restrições (Significância) RESTRINGE O FOCAL E PROPORCIONA SIGNIFIKCANCIA E CONTEXTO Nível de foco Nível Focal Componentes (explicação) Proporciona detalhes para explicar a resposta Podem existir causas no sentido inferior?
  • 55. Uma Hierarquia 'Perfeita’ Rim Órgãos Coração (Órgãos) L+1 Rim Tecidos Coração Rim L Células Pulmão Pancreo L-1 Células do rim células do coração
  • 56. Escalas ou hierarquias geográficas dos processos ecológicos e evolutivos Continente Região Paisagem Local
  • 57. Organização Hierarquia Os indivíduos de uma espécie de uma área particular (pica-paus numa floresta) constituem e se organizam numa população. As populações que se interagem numa área particular formam uma comunidade. Uma comunidade mais seu ambiente físico forma um ecossistema. A biosfera é composta de regiões da crosta, águas e atmosfera da Terra habitadas por organismos.
  • 58. Hierarquia Causas descendentes L + 1 L mecânica L - 1 Nível focal Padrão da paisagem Resposta da população Comportamento Do indivíduo Sugere uma hierarquia danificada Sugere uma hierarquia engajada
  • 59. Uma hierarquia 'Imperfeita’? Assembléia de espécies diferentes L+1 Populações numa metapopulação L L-1 Animais individuais
  • 60. Os componentes (L – 1) Não se juntam corretamente M.C. ESCHER 1961
  • 61. Um caso típico de números pequenos Quais variáveis do habitat (L-1) explicam a densidade populacional (L)? L-1 Variáveis do nível L-1 selecionados Somente poucos variáveis da diversidade podem ser Selecionados em qualquer pesquisa Tentamos de capturar a dinâmica relevante do sistema
  • 62. Uma hierarquia mais real Nível L + 1 Nível L Nível L Nível L É mais complexa e por isso tem maiores tampões
  • 63. Explicação Alternativa de Propriedades Emergentes Uma alternativa a emergência baseada no nível de hierarquia (Escopo, Resolução, Estado) Ajude definir as propriedades emergentes e a emergência A faixa de Möbius tem propriedades emergentes
  • 64. Emergência da Essência de Um Lado Propriedades emergentes •Um lado •Uma margem •Sem orientação Componente i
  • 65. Propriedades Emergentes M. C. Escher, Moebius Strip II (Red Ants)
  • 66. Escopo = S {elementos dentro as margens de um sistema (espaço)} X {momentos (tempo)} elementos tempo sistema margem
  • 67. Resolução = R Distinção menor possível dos elementos (espaço) e momentos (tempo)
  • 68. Estado A informação que distingue entre as configurações alternativas do sistema até uma resolução num momento no tempo Micro-estado Macro-estado   (( x1 , x2 , x3 ), (v1 , v2 , v3 )) N   (T , P,V ) Gás Ideal
  • 69. Relação Macro a Micro   O macro-estado não possui uma resolução menor ou um escapo maior, ou ambos.
  • 70. Propriedade Emergente Nova Uma propriedade é uma propriedade emergente novo se está presente num estado macro mas não está presente no estado micro, onde os micro-estados se diferem do macro-estado somente no escopo.
  • 71. A distancia do estado verdadeiro da assembléia fica no modelo depende da complexidade do sistema e as regras de assembléia que usamos ASSEMBLÉIAS POSSIVÉIS DO SISTEMA (REPRESENTAÇÃO) SISTEMA INTACTO COMPONENTES REGRAS DE ASSEMBLÉIA
  • 72. Evolução e a origem de maquinas celulares complexas Se essas estruturas tem uma complexidade irreduzível, então não poderiam ter criadas pela evolução. Por que? Flagelo de bactéria Flagelo de bactéria
  • 73. Michael Behe. Darwin’s Black Box, p. 39 “Um sistema complexo e irreduzível não pode ser produzida diretamente ... Por modificações sucessivas pequenas de um sistema de precursor, porque qualquer precursor de um sistema complexo e irreduzível que falta uma parte é por definição não funcional.”
  • 74. “Um bom exemplo de esse tipo de sistema é um ratoneiro. ... A função do ratoneiro requer todas as peças: não funciona com somente a plataforma ou qualquer outra peça separadamente. Todos os componentes precisam encaixar antes de capturar uma ratazana. Assim o ratoneiro é complexo e irreduzível."
  • 75. A maquina inteira tem função... “Porque a seleção natural requer uma função para a seleção, um sistema biológico complexo e irreduzível.. Teria sua origem como uma unidade integrada ou a seleção natural não funciona.” ....mas suas partes componentes não tem função
  • 76. Maquina bioquímica Função favorecida pela seleção Natural Partes Individuais Nenhuma função. Por isso, a seleção natural não forma seus componentes.
  • 77. Maquina bioquímica Funções novas emergem da combinação dos componentes Partes Individuais Componentes originam com funções diferentes.
  • 78. Desenho Inteligente: Evolução: Partes sozinhas inúteis Partes fazem outras funções “A Complexidade Irreduzível” faz previsão, mas também a evolução faz previsão
  • 79. “Mais do que outros motores, o flagelo assemelha uma maquina desenhada pelo homem.” Se retiramos 40 partes do flagelo: deixando somente 10 parte não deve funcionar. Certo?
  • 80. Flagelo de Bactéria (~50 partes) Não. Essas 10 partes tem função! Sistema secretório do tipo III (10 partes) Yrsinia pestis “...qualquer precursor de um sistema complexo e irreduzível que não está presente é por definição não funcional.”
  • 81. Na realidade, o flagelo contêm muitas partes homologas a outros sistemas Sistema secretório do tipo III Família das proteínas axiais Secreção do tipo II Transporte iônico Transdução de sinais
  • 82. Na realidade, o flagelo contêm muitas partes homologas a outros sistemas
  • 83. POR ISSO… A Ecologia e um estudo integrado e dinâmico do ambiente, enfocado no nível ou escopo apropriado da hierarquia para explicar os fenômenos observados.
  • 84. Em Resumo A emergência se liga ao escopo, não ao nível! Uma propriedade emergente nova é a diferencia entre a estrutura global e local! As propriedades emergentes podem ser modeladas, mas a emergência não! A emergência não precisa ser complexa, adaptativa, ou de auto-organização!
  • 85. Variabilidade é as diferencias entre os indivíduos de uma população. A maioria das populações demonstram diferencias entre os indivíduos. – Parte da variação tem base genética. – Outra parte da variação é ambiental. – Na maioria dos casos, a variabilidade se deve aos genes e o ambiente. Dimorfismo Sexual é quando os dois sexos diferem muito em forma ou tamanho. Metamorfose é quando os indivíduos diferem de forma devido a uma transformação dramática durante sua vida.
  • 86. Considerações Finais Mudanças nos padrões e uso da terra geram a fragmentação das paisagens, ameaçando a estabilidade e a dinâmica das populações, as perturbações ambientais e a perda de diversidade genética. Os seres humanos não formam a única população que modifica ou tenta controlar o ambiente – os organismos não se adaptam de forma pacífica às forças físicas e químicas da natureza, mas modificam e regulam ativamente o ambiente físico dentro dos limites impostos pelas leis naturais;
  • 87. Referencia recomendada Camazine, S., Deneubourg, J.L., Franks, N. R., Sneyd, J., Theraulaz, G., Bonabeau, E. 2001. Self-organization in biological systems. Princeton University Press.
  • 88. Perguntas?