Evolução e Vida Artificial: Gene Pool

Experiências que envolvem o estudo da macro-evolução são difíceis de serem observados e acompanhados, mesmo ao longo de uma carreira de investigação científica! No entanto, esta realidade tem mudado com avanços na bioinformática, inteligência artificial e, claro impulsionadas pelo entretenimento.

‘Seres virtuais’ criaram notoriedade na biologia quando passaram a ser utilizados em pesquisas com o objetivo de visualizar mudanças evolutivas ao passar do tempo, sem necessariamente, percorrer escalas geológicas gigantescas como normalmente ocorre na evolução biológica. Hoje o conceito de “vida virtual” passou a ser utilizado em sala de aula para o ensino da evolução e professores têm utilizado programas como ferramenta de aprendizado. O fato interessante destes programas é que eles permitem a simulação da evolução biológica, e o acompanhamento em tempo real das mudanças adaptativas de ‘seres virtuais’. Aqui apresentaremos um destes programas: o Gene Pool.

Gene Pool

“The very idea of a gene pool has no meaning if there is no sex. ‘Gene Pool’ is a persuasive metaphor because the genes of a sexual population are being continually mixed and diffused, as if in a liquid. Bring in the time dimension, and the pool becomes a river, flowing through geological time…“

Richard Dawkins, The Ancestor’s Tale , página 432

Programa desenvolvido por Jeffrey Ventrella, é um tipo de simulação computacional que tenta reproduzir a evolução biológica darwinista. O programa envolve  interação de diversos organismos que se desenvolvem, e se reproduzem utilizando diversas habilidades inatas, isto é, contidas no seu código genético. Estes organismos são chamados de “swimbots“. Swimbots comportam-se de acordo com algoritmos computacionais que determinam como convivem entre si, competem por alimentos, e por companheiros, e sofrem variação genética ao longo das gerações. A cada geração podem sofrer mutações gerando proles diferentes, que podem apresentar características novas e úteis à sua sobrevivência.

Swimbots. Créditos: Ventrella.

Gene pool baseia-se no conceito ultra-darwinista da seleção genética, isto é, de que a seleção natural favorece determinados genes no pool da população e é mais bem compreendido como um ambiente aquático, habitado por formas de vida que compunham a sopa primordial da Terra.

Gene Pool e Alguns Conceitos Evolutivos

O programa reproduz os fatores envolvidos na evolução de organismos virtuais e, ao mesmo tempo, explora os mecanismos adaptativos destes no ambiente. Para que a evolução ocorra são necessários fatores que levem ao aparecimento de variabilidade genética na população (mutação e recombinação genética), assim como, é necessária a presença da seleção natural – mecanismo físico capaz de moldar os seres – que atuará sobre a variabilidade genética da população.

1.0 Seleção Natural
A seleção natural favorecerá genes que são mais adequados para o ambiente dos swimbots. Swimbots são selecionados em relação a seu sucesso reprodutivo (obtenção de parceiros sexuais e número de prole produzida), e capacidade de obter alimentos. A seleção só pode atuar sob o conjunto de variações produzidas pelas mutações. No Gene Pool, a variabilidade genética atua sob a locomoção dos swimbots pelo ambiente e interferem na atração dos parceiros sexuais; estes dois fatores influenciam na sobrevivência destas criaturas. Desta forma, a população de swimbots evolui de modo a aperfeiçoar a sua morfologia e controle motor envolvido na natação – responsável pela locomoção destes pelo ambiente e pelas características corporais que servem como fatores de atração de parceiros sexuais (cor, forma do corpo, tamanho, etc.).

Para se locomoverem precisam de energia que somente é conseguida através dos alimentos (pequenos grão verdes) espalhados aleatoriamente no espaço. Caso exista um desequilíbrio entre a quantidade de alimentos conseguida e energia gasta, o genótipo destes swimbots serão destruídos naturalmente. O parâmetro de longevidade destas criaturas é, portanto, determinado pela sua quantidade de energia, e quando este valor atinge zero eles morrem, e em contrapartida, quando atinge um determinado limiar estipulado por seus genes eles podem produzir crias (reprodução sexuada). Para cada cria é doado certa percentagem de sua energia, também determinada pelo seu código genético. A obtenção de energia, portanto, é necessária para que se mantenham vivos e consigam se reproduzir no ambiente. Quanto maior o número de prole produzida maior será a quantidade de indivíduos com o genótipo de sucesso deixado para a geração futura. É desta forma que os genes lentamente se fixam no pool gênico da população.

1.1 Seleção Sexual
Swimbots escolhem parceiros sexuais de acordo com preferências já pré-estabelecidas no seu código genético, em geral selecionam parceiros que apresentam cores semelhantes as suas. Outros critérios de atração entre os swimbots podem ser definidos pelo usuário. O aspecto mais interessante da seleção sexual é que ela é um dos fatores determinante para a evolução da morfologia e comportamento destes organismos.

2.0 Mutação
As mutações são aleatórias e suas ocorrências alteram o genoma do organismo. São responsáveis em aumentar a diversidade genética da população. A cada geração swimbots podem sofrer mutações passando para as próximas gerações.

3.0 Recombinação Gênica

Swimbots ao cruzarem entre si trocam informações genéticas, que são passadas para a prole.

4.0 Especificações do Gene Pool Versão 6.0

• Tamanho do arquivo: ~344 KB
• Língua: Inglês
• Desenvolvedor: Jeffrey Ventrella
• Sistemas operacionais: Windows e Mac OS
• Programa gratuito.

Ambiente gráfico do Gene Pool

Gene Pool Website

Website de Jeffrey Ventrella contém informações sobre o funcionamento do programa e artigos escritos pelo próprio autor, além de uma galeria de swimbots desenvolvidos por fãs do Gene Pool.

Evolução Artificial: Biomorphs

Baseado em um algoritmo descrito por Richard Dawkins no seu livro “O relojoeiro Cego” (Cia da Letras,2001). Biomorphs foi inicialmente desenvolvido para computadores com plataforma Apple Macintosh RM Nimbus e compatíveis com IBM, mas atualmente encontra-se na versão para Microsoft Windows.  Biomorphs é um programa utilizado para demonstrar o potencial e as limitações da seleção atuando sobre genes que interferem no desenvolvimento do fenótipo dos organismos.

2.0 Como funciona?

O programa mostra ao usuário a imagem de um “biomorfo” ao centro – uma criatura com o fenótipo composto de ramificações e sobreposição de linhas, juntamente com um conjunto de sua prole ao redor, diferente do pai por uma ou poucas mutações. O usuário escolhe um favorito entre as opções mostradas para tornar-se o pai da próxima geração. Aplicando seleção artificial – que neste caso simularia a seleção natural realizado pelo ambiente, o utilizador pode evoluir os biomorfos em diferentes formas e cores. Os biomorfos podem variar de acordo com sua simetria, segmentação ou forma.

Onde conseguir o programa?

Goodnigt software

Site do professor Keith Goodnight apresenta diferentes programas de genética de populações, utilizados para o ensino de biologia evolutiva e ecologia comportamental.

Especificações do Biomorphs

• Língua: Inglês
• Desenvolvedor: Keith Goodnight
• Sistemas Operacionais: Windows e Mac OS
• Programa Gratuíto e  disponível para download

Para saber mais leia:

Dawkins, Richard “O Relojoeiro Cego” Cia da Letras 2001. (Clique para consultar preço no Buscapé)

Dawkins, R. The evolution of Evolvability” Em C. Laggton Artificial Life. New York: Addison- Wesley.

Ventrella, Jeffrey GenePool: Exploring The Interaction Between Natural Selection and Sexual Selection.

Ventrella, Jeffrey Attractiveness vs. Efficiency (How Mate Preference Affects Locomotion in the Evolution of Artificial Swimming Organisms). Artificial Life Vi Proceedings. MIT Press, 1998.