EVOLUÇÃO BIOLÓGICA: SIMULAÇÕES COMPUTACIONAIS

 

Suzana Moss de Oliveira (*)

 

Desde 1995 o grupo de Sistemas Complexos do Instituto de Física da UFF vem utilizando e aprimorando o modelo de Penna [1] para envelhecimento biológico, a fim de estudar uma enorme variedade de fenômenos ligados à evolução das espécies. Este modelo se baseia na teoria do acúmulo de mutações, a qual explica o envelhecimento como o resultado da diminuição da pressão seletiva natural com a idade. Um exemplo de tal fato é a doença de Alzheimer: por ser uma doença  genética, seus portadores já nascem com ela. Contudo, seus efeitos só se manifestam a partir dos 60 anos e portanto, não impedem a reprodução. Como consequência, tal doença é bastante comum, ao contrário da síndrome de Huntchinson-Gilford (envelhecimento precoce), extremamente rara e também hereditária,  que pode matar aos 13 anos de idade, portanto antes da reprodução.

            No modelo Penna assexuado, o genoma “cronológico” de cada indivíduo é representado por uma palavra de computador (tira de 32 bits, cada bit valendo zero ou um). Bits 1 representam doenças genéticas; se por exemplo o terceiro, dentre os 32 bits de um dado genoma, vale 1, isto indica que aquele indivíduo passará a sofrer os efeitos de uma dada doença hereditária no seu terceiro “ano” de vida. Cada indívíduo pode viver no máximo por 32 “anos” e existe um limite para o número de doenças que o mesmo pode ter. O genoma do filho é uma cópia do genoma da mãe, a menos de mutações que são introduzidas em posições aleatórias, no momento da reprodução. No modelo sexuado, cada genoma consiste de 2 tiras de bits, que são lidas em paralelo. Neste caso, para se contar o número de doenças que o indivíduo vai sofrer, é necessário definir, dentre as 32 posições possíveis, quais são recessivas e quais são dominantes. Na reprodução considera-se o cruzamento e a recombinação dos genomas dos pais para a formação do genoma do filho.

A representação dos indivíduos por tiras de bits permite a utilização de operações lógicas nas simulações, ao invés das operações aritméticas usuais, que tornam os programas extremamente eficientes. Desta forma, é possível simular uma população de milhões de indivíduos, tamanho equivalente aos das populações reais, em qualquer computador e com grande rapidez.

Utilizando o modelo Penna, foi possível entender as vantagens da reprodução sexuada sobre a assexuada, a razão da menopausa existir, porque os indivíduos morrem logo após a reprodução em espécies como a do salmão, porque somos diplóides e não triplóides, etc... Atualmente o modelo vem sendo adaptado para o estudo da especiação, isto é, a divisão de uma espécie ancestral em duas ou mais espécies diferentes da original. Neste caso, o fenótipo de cada indivíduo é também representado, utilizando-se uma ou mais tiras de bits.

 

[1] T.J.P. Penna, Journal of Statistical Physics 78 (1995) 1629.

 

 

 

(*) Universidade Federal Fluminense

e-mail: suzana@if.uff.br