COMO A SELEÇÃO NATURAL AFETA O CONJUNTO DE GENES DE UMA POPULAÇÃO?

Vivian Lavander Mendonça e Sônia Lopes (agosto de 2003)

TEMA Evolução

CONCEITOS

RELACIONADOS

• Fatores evolutivos: seleção natural

• Princípios de hereditariedade (1ª Lei de Mendel)

• Genética de populações (teoria de Hardy-Weinberg)

OBJETIVOS

Os estudantes poderão:

• compreender que a freqüência dos alelos de um gene em uma

população pode se modificar ao longo do tempo;

• aplicar conceitos de genética (padrões de hereditariedade) a uma

simulação de ocorrência de seleção natural, um dos fatores

evolutivos considerados na Teoria Sintética da Evolução ou

Neodarwinismo.

• desenvolver habilidades de raciocínio lógico-matemático e

construção/interpretação de gráficos.

ESTRATÉGIAS DE

ENSINO

Essa atividade direciona-se ao tema evolução e pode ser utilizada na

abordagem da Teoria Sintética da Evolução ou Neodarwinismo. Os alunos

precisam conhecer conceitos de genética (no caso, a 1ª Lei de Mendel). A

atividade também pode ser uma introdução ao tema Genética de

Populações, para compreensão do princípio de equilíbrio genético de uma

população. Apesar do princípio de Hardy-Weinberg não ser explicitado

aqui, o professor pode partir das conclusões desta atividade para

posteriormente apresentar esse conceito aos alunos.

PRINCÍPIOS

BÁSICOS

A TEORIA SINTÉTICA DA EVOLUÇÃO

A teoria sintética da evolução ou neodarwinismo foi formulada por vários

pesquisadores durante anos de estudos, tomando como essência as noções de

Darwin sobre seleção natural e incorporando noções de genética.

A teoria sintética considera, conforme Darwin já havia feito, a população unidade

evolutiva. A população pode ser definida como grupamento de indivíduos de uma

mesma espécie que ocorrem em uma mesma área geográfica, em um mesmo

intervalo de tempo.

Observando as diferentes populações de indivíduos com reprodução sexuada,

pode-se notar que não existe um indivíduo igual a outro. A enorme diversidade de

fenótipos em uma população é indicadora da variabilidade genética dessa

população.

A compreensão da variabilidade genética e fenotípica dos indivíduos de uma

população é fundamental para o estudo dos fenômenos evolutivos, uma vez que a

evolução é, na realidade, a transformação estatística de populações ao longo do

tempo, ou, ainda, alterações nas freqüências dos genes dessa população. Os

fatores que determinam alterações na freqüência dos genes são denominados

fatores evolutivos. Cada população apresenta certo conjunto de genes que,

sujeito a fatores evolutivos, pode ser alterado. O conjunto gênico de uma

população é o conjunto de todos os genes presentes nessa população. Assim,

quanto maior o conjunto gênico da população, maior é a variabilidade genética.

Os fatores evolutivos que atuam sobre o conjunto de genes da população podem

ser reunidos em duas categorias:

- fatores que tendem a aumentar a variabilidade genética: mutação gênica,

mutação cromossômica, recombinação;

- fatores que atuam sobre a variabilidade já estabelecida: migração, oscilação

genética e seleção natural.

A seleção natural organiza e direciona a variabilidade genética, selecionando

genótipos mais bem adaptados a uma determinada condição ecológica,

eliminando aqueles desvantajosos para essa mesma condição. A seleção tende,

portanto, a diminuir a variabilidade genética. Desse modo, quanto mais intensa

for a seleção natural sobre uma determinada população, menor será a sua

variabilidade, pois apenas alguns genótipos serão selecionados.

Extraído de BIO v. 3, Sônia Lopes, Saraiva

DURAÇÃO DA

ATIVIDADE 2 aulas

MATERIAIS

NECESSÁRIOS

• Ficha de atividade (anexo 1) – providenciar cópias.

• Questões para discussão (anexo 2) e gabarito (anexo 3)

Organizar a turma em equipes e pedir a cada equipe que providencie:

• 50 grãos de feijão marrom ou preto

• 50 grãos de feijão branco

• 3 pires ou potes pequenos

• 1 saco de papel opaco

• 3 etiquetas adesivas

1ª PARTE: OBSERVANDO CRUZAMENTOS ENTRE COELHOS

PROCEDIMENTOS 1. Na aula anterior à execução da atividade, peça à turma que se organize

em equipes de 3-4 alunos. Cada equipe deverá trazer, na aula marcada,

os materiais listados no item “Materiais necessários”. No dia combinado,

verifique se todas as equipes possuem o material solicitado e distribua

cópias da ficha de atividade (anexo 1) para cada aluno ou uma cópia por

equipe.

2. Leia com a turma a situação a ser analisada no item “Introdução” da

ficha de atividade. Explique que os feijões correspondem aos alelos do

gene para pelagem dos coelhos, sendo que os feijões brancos

representam o alelo recessivo (p), que determina a condição “ausência

de pêlos no corpo”, enquanto os feijões coloridos (marrons ou pretos)

representam o alelo dominante do mesmo gene (P), que determina a

presença de pêlos no corpo. O saco de papel (que pode ser substituído por

outro recipiente, desde que não seja transparente) representa o território

onde vivem os coelhos.

3. Todos os feijões devem ser colocados dentro do saco de papel. O

número de feijões (50 de cada cor) foi escolhido aleatoriamente para essa

atividade e não corresponde a uma situação real.

4. Os três pires devem ser etiquetados da seguinte forma:

PP: indivíduos homozigóticos dominantes

Pp: indivíduos heterozigóticos

pp: indivíduos homozigóticos recessivos

5. CRUZAMENTO ENTRE OS COELHOS:

Cada equipe deve chacoalhar o saco de papel contendo os feijões. Sem

olhar e escolher os feijões, os alunos retiram dois de cada vez,

simbolizando que dois gametas se uniram ao acaso e deram origem a um

indivíduo diplóide. Esclareça, então, que cada par de alelos (feijões)

representa o genótipo de um indivíduo diplóide (um filhote), resultado do

cruzamento ao acaso entre os coelhos da população (por isso não se

podem escolher os feijões a serem retirados do saco). Observando as

cores dos grãos, os pares de feijões retirados devem ser colocados no

pires correspondente: PP, Pp ou pp. O procedimento é repetido até que

terminem todos os feijões de dentro do saco.

Exemplo:

Se forem retirados, ao acaso, um feijão branco (alelo p) e um feijão

colorido (alelo P), o coelho será heterozigótico para o lócus desse gene

(Pp) e apresentará pêlos em seu corpo. Se forem retirados dois feijões

brancos, o coelho será homozigótico recessivo (pp) e não terá pêlos no

corpo. Se forem retirados dois feijões pretos, o coelho será homozigótico

dominante (PP) e terá pêlos no corpo.

6. Ao mesmo tempo em que os alunos forem sorteando os pares de alelos

(feijões) e colocando-os no pires com a etiqueta correspondente, eles

devem completar a tabela da ficha de atividade na linha “GERAÇÃO 1”. O

procedimento é repetido até que os feijões de dentro do saco de papel

acabem.

OBS.: Repare que o número total de coelhos da Geração 1 [50 indivíduos]

será metade do número total de feijões [100], porque cada coelho, sendo

um organismo diplóide, possui dois alelos do gene.

7. Com a Geração 1 disposta nos pires, lembre aos alunos de que os

coelhos portadores do genótipo pp nascem sem pêlos em seu corpo.

Pergunte sobre as chances de sobrevivência dos coelhos da geração 1 até

a idade reprodutiva considerando o ambiente onde esses animais vivem.

Todos os coelhos sobreviverão considerando que a população habita um

bosque da Europa onde o inverno é rigoroso? Os coelhos sem pêlos no

corpo não conseguem resistir ao frio e acabam morrendo antes que

atinjam a idade adulta e possam procriar e transmitir seus genes à outra

geração. Sendo assim, os alunos devem esvaziar o pires correspondente

aos coelhos homozigóticos recessivos (pp) e excluir esses alelos da

próxima simulação.

8. Os alunos devem contar o número de alelos P e p (feijões) que ficaram

nos outros dois pratos e anotar o número no lugar apropriado da tabela.

As equipes devem se lembrar que os alelos dos coelhos pp não devem ser

contados, pois esses coelhos morreram durante o inverno.

OBS.: Nesta etapa, deve-se contar cada feijão, pois o que se deve anotar

é o número de alelos e não de indivíduos.

9. Os alelos dos coelhos peludos devem ser colocados novamente no saco

de papel, visto que esses coelhos sobreviveram ao inverno, cresceram e

podem se reproduzir. Os alunos vão repetir os procedimentos de 5 a 8 e

anotar os novos dados na linha correspondente à GERAÇÃO 2.

10. Os procedimentos devem ser repetidos até que se complete a tabela e

cada grupo tenha dados das Gerações 1 a 8. Como estão trabalhando em

equipe, os alunos podem revezar as tarefas entre si: sortear os alelos,

fazer as contagens, anotar os dados na tabela.

2ª PARTE: INTERPRETAÇÃO DOS RESULTADOS

11. Oriente os alunos sobre como calcular a freqüência dos alelos em cada

geração que chegou à idade reprodutiva. Por exemplo: para saber a

freqüência do gene P na Geração 1, após a exclusão dos coelhos

homozigóticos recessivos, divide-se o número de alelos P pelo total de

alelos; e para descobrir a freqüência de p, divide-se o número de p pelo

total de alelos. Os resultados podem ser expressos em porcentagem ou

em número decimal. Vamos usar como exemplo o seguinte raciocínio: se

partirmos de 50 feijões brancos e 50 pretos, que é a nossa geração

parental, na geração F1 teremos 50 feijões pretos e o número de feijões

brancos vai depender de quantos indivíduos homozigóticos morreram.

Vamos supor que 10 indivíduos eram homozigóticos recessivos. Isso nos

dá 20 feijões brancos a menos. O total de feijões será de 80, sendo 50

pretos e 30 brancos.

Nesse caso, o cálculo da freqüência dos alelos ficaria assim:

Geração 1:

Nº de alelos P = 50

Nº de alelos p = 30

Nº total de alelos = 80

Freqüência de P = 50/80 = 0,625 ou 62,5%

Freqüência de p = 30/80 = 0,375 ou 37,5%

A soma das freqüências de P e p deve ser igual a 1 no caso do resultado

ser expresso em decimal, ou 100 no caso do resultado ser em

porcentagem.

12. Os resultados obtidos pelas equipes precisam ser comparados. Para

isso, cada grupo deve construir um gráfico que mostre a variação das

freqüências dos alelos P e p na população de coelhos adultos que

sobreviveram ao inverno rigoroso ao longo das gerações. Oriente os

alunos a colocar as gerações de 1 a 8 no eixo horizontal e as freqüências

calculadas no eixo vertical. As freqüências dos alelos P e p podem ser

colocadas no mesmo gráfico, utilizando-se cores diferentes para marcar

cada uma. Os alunos devem combinar um padrão para a montagem do

gráfico a ser seguido por todas as equipes; por exemplo, a freqüência de

P será marcada com canetinha azul e a freqüência de p será marcada com

canetinha vermelha. O gráfico deverá ser grande para facilitar a

comparação entre eles e pode ser construído em folha de papel sulfite

(utilizando todo o espaço da folha) ou metade de uma cartolina.

OBS.: Esta etapa pode ser feita em casa para a comparação dos gráficos

ser realizada na aula seguinte. Se houver tempo, no entanto, é melhor

que as equipes construam seus gráficos em aula – combine com os alunos

os materiais que deverão ser trazidos na aula de montagem dos gráficos:

papel, canetinhas coloridas e régua.

13. Fixe os gráficos de todas as equipes no quadro ou em uma parede da

sala de aula e peça aos alunos que façam uma comparação entre eles.

[Como os feijões foram sorteados, cada equipe pode obter um número

diferente de coelhos homozigóticos dominantes, heterozigóticos e

homozigóticos recessivos. No entanto, os gráficos com a evolução das

freqüências dos alelos P e p deverão ser semelhantes para todas as

equipes, desde que os procedimentos tenham sido seguidos corretamente.

A freqüência do alelo P deverá aumentar ao longo das gerações, enquanto

a freqüência de p diminui ou até mesmo desaparece da população, uma

vez que os coelhos sem pêlo (pp) vão sendo eliminados pelo inverno

rigoroso a cada geração.]

14. Incentive os alunos a construírem uma hipótese, baseando-se no

resultado da atividade, sobre o que acontece com as freqüências dos

genes P e p na população de coelhos após um período de tempo (8

gerações) e o que aconteceria se os coelhos pp não fossem eliminados

por seleção natural. No item “Sugestões de Avaliação”, encontram-se

algumas questões que podem nortear a discussão sobre a atividade e

permitem que o professor verifique o aproveitamento da turma.

Atividade adaptada de: How does evolution work?. Joseph Lapiana

(www.pbs.org/wgbh/evolution)

VARIAÇÕES

&

SUGESTÕES

Utilizando os mesmos materiais e seguindo os procedimentos descritos

acima, os alunos podem trabalhar com outros exemplos do papel da

seleção natural na evolução de uma população. Como sugestão, vamos

considerar o caso do melanismo industrial, fenômeno caracterizado pelo

aumento da freqüência de indivíduos com coloração escura em regiões

industrializadas. Uma população de insetos que habita os arredores de

uma cidade será objeto de análise da atividade.

Explique que os feijões correspondem aos alelos do gene para

pigmentação do corpo, sendo que os feijões brancos representam o alelo

recessivo (c), que determina a condição “coloração clara”, enquanto os

feijões coloridos (marrons ou pretos) representam o alelo dominante do

mesmo gene (C), que determina “coloração escura”. Assim, insetos

portadores do genótipo CC ou Cc apresentam coloração escura e os

insetos homozigóticos recessivos (cc) apresentam coloração clara.

Todos os feijões (50 de cada cor) devem ser colocados no saco de papel,

que representa o habitat dessa população de insetos. Os procedimentos a

serem seguidos são os mesmos descritos anteriormente. O fator de

seleção natural para essa situação, porém, é outro. Na ausência de

poluição do ar, liquens recobrem os troncos das árvores, dando-lhes uma

coloração clara. Nessas condições, ao pousar sobre os troncos cobertos

por liquens, os insetos claros não ficam tão visíveis quanto os insetos

escuros, que se tornam presas fáceis de seus predadores – os pássaros.

Em cidades altamente industrializadas, a fuligem lançada ao ar provoca a

morte dos liquens e deixa os troncos das árvores escurecidos. Assim,

insetos claros tornam-se mais visíveis que os escuros e são mais

predados pelos pássaros. A coloração dos troncos das árvores é o fator

que pode determinar qual tipo de inseto – claro ou escuro – será mais

freqüente na população.

Organize a classe de maneira que algumas equipes analisem o

comportamento da população de insetos quando exposta a árvores de

troncos claros, enquanto outras equipes analisam o que acontece se as

árvores possuírem troncos escuros. As equipes que estiverem trabalhando

com o ambiente despoluído, onde os troncos das árvores são cobertos de

liquens de coloração clara, deverão eliminar a cada geração cerca de 80%

dos insetos escuros e observar que, ao longo das gerações, o número

deles vai sendo reduzido e por isso o alelo Dominante C tem sua

freqüência reduzida.

As equipes que estiverem trabalhando com o ambiente industrializado,

onde a poluição do ar deixa os troncos das árvores expostos e

escurecidos, deverão proceder de modo que elimine cerca de 80% dos

insetos claros e com isso obter resultado diferente: os insetos claros

diminuirão de número e a freqüência do alelo recessivo c diminui. Ao final

da atividade, as equipes devem comparar seus resultados e elaborar suas

conclusões.

Nessa variação para a atividade, optou-se por não eliminar todos os

indivíduos desfavorecidos pela seleção natural a cada geração, como no

exemplo dos coelhos. Naquele caso, o inverno rigoroso e o tempo maior

para se atingir a maturidade sexual certamente matariam todos os

coelhos pelados. Mas no caso dos insetos alguns indivíduos poderiam

escapar da ação predatória dos pássaros mesmo estando em

“desvantagem” e atingir a idade reprodutiva. O número de 80% não

corresponde ao que ocorre na realidade, devendo ser deixado claro que

isso é uma estimativa para a realização da atividade e que nem sempre a

mesma porcentagem ocorre a cada geração.

OBS.: É necessário lembrar que novamente estamos trabalhando com

uma situação hipotética, que não poderia ser observada na natureza. O

caso do melanismo industrial foi observado em regiões industrializadas de

diversos países, mas as mudanças nas freqüências gênicas de uma

população não ocorrem de maneira tão rápida, logo após algumas

gerações. Nessa atividade, consideramos que cada geração de insetos é

resultado de cruzamentos apenas entre os indivíduos da geração anterior

e que de cada cruzamento nasce apenas um descendente. Além disso,

como o objetivo da atividade é a compreensão do mecanismo de seleção

natural sobre um conjunto de genes, outros fatores que podem influenciar

a freqüência de alelos em uma população, como a migração de indivíduos

e a oscilação genética, não foram considerados. Isso tudo, no entanto,

pode ser discutido com os alunos ao término da atividade.

SUGESTÕES PARA

AVALIAÇÃO

Veja questões para discussão da atividade no anexo 2 e o gabarito no

anexo 3.

ANEXO 1

Ficha de atividade Nome: ____________________________________________________ Data: ____________

COMO A SELEÇÃO NATURAL AFETA O CONJUNTO DE GENES DE UMA POPULAÇÃO? INTRODUÇÃO: Nessa atividade, você poderá observar os efeitos da seleção natural em uma pequena população ao longo de algumas gerações. Vamos imaginar uma população fictícia de coelhos selvagens

que habita um bosque localizado na Europa, onde as condições climáticas correspondem às da zona temperada: inverno rigoroso e verão com temperaturas amenas. Várias características que aparecem na população podem comprometer a sobrevivência dos indivíduos portadores. Um exemplo é o de coelhos

que nascem sem pêlos recobrindo o corpo. Como objetivo desta atividade, você vai descobrir por que os coelhos sem pêlos são tão raros nessa população. Vamos considerar a característica “presença ou ausência de pêlo” determinada por um par de alelos. O

alelo dominante será representado por P e o alelo recessivo por p. Coelhos que recebem de seus pais dois alelos P ou um P e um p nascem com pelagem normal, enquanto os coelhos que herdam dois

alelos p nascem sem pêlos. OBS.: Todos os dados dessa atividade são fictícios e muitas simplificações foram feitas para que você

possa compreender o efeito da seleção natural sobre os genes de uma população. Consideramos que cada geração de coelhos é resultado de cruzamentos apenas entre os coelhos da geração anterior e que de cada cruzamento nasce apenas um descendente. Na natureza o mesmo casal poderia procriar muitas

vezes e ter mais de um filhote por gestação. Poderia também haver cruzamentos entre coelhos de gerações diferentes e migração de indivíduos.

PROCEDIMENTOS: Siga as instruções do(a) professor(a) e complete a tabela abaixo.

FAZER ESSAS ANOTAÇÕES APÓS O “INVERNO”

GERAÇÃO Nº de

indivíduos PP

Nº de indivíduos

Pp

Nº de indivíduos

pp

Nº de alelos P

Nº de alelos p

Nº total de alelos

Freqüência do alelo P

Freqüência do alelo p

1

2

3

4

5

6

7

8

Construa um gráfico que mostre a variação das freqüências dos alelos P e p na população de coelhos

adultos que sobreviveram ao inverno rigoroso ao longo das gerações. Coloque as gerações de 1 a 8 no eixo horizontal e as freqüências calculadas no eixo vertical. As freqüências dos alelos P e p podem ser

colocadas no mesmo gráfico, utilizando-se cores diferentes para marcar cada uma .

ANEXO 2

Questões para discussão da atividade

A) O que aconteceu com as freqüências dos alelos P e p na população coelhos ao longo de 8

gerações? O que justifica esse resultado?

B) Os resultados obtidos por sua equipe são semelhantes aos resultados dos outros grupos? Se

não, por que eles são diferentes?

C) “Em uma população em que os cruzamentos ocorrem ao acaso e sobre a qual não há

atuação de fatores evolutivos, as freqüências dos genes permanecem constantes ao longo das

gerações” (cientistas Hardy e Weinberg, 1908). Essa afirmação está de acordo com o que foi

observado pela sua equipe na atividade? Justifique sua resposta.

D) Imagine a seguinte situação: uma pessoa que mora perto do bosque resolveu proteger os

coelhos sem pêlos (pp) durante o inverno, abrigando-os do frio e dando-lhes comida. Apesar

de alguns coelhos terem morrido, a maioria conseguiu sobreviver e atingir a idade adulta, e

foram liberados no bosque novamente quando chegou a primavera. O que aconteceria com as

freqüências dos alelos P e p na população de coelhos nessa nova situação?

E) No habitat natural, ocorrem migrações de indivíduos dentro de uma população. Assim,

coelhos poderiam deixar a área do bosque (emigração), enquanto coelhos vindos de outras

populações poderiam se unir ao grupo (imigração). As migrações não aconteceriam durante o

inverno, quando as condições climáticas e a escassez de alimento dificultariam o deslocamento

dos coelhos. De que forma as migrações de coelhos poderiam influenciar a freqüência dos

alelos P e p na população?

F) Charles Darwin, cientista que propôs a teoria da evolução por seleção natural, dizia que

evolução significa “descendência com modificação”, mas não conhecia os mecanismos de

herança. Baseando-se no que você aprendeu com essa atividade, dê uma definição de

evolução que complemente a definição de Darwin.

ANEXO 3

Gabarito das questões para discussão

A) A freqüência do alelo P aumenta ao longo das gerações, enquanto a freqüência de p diminui, uma vez que os coelhos pp (sem pêlo) vão sendo eliminados a cada geração por seleção natural (inverno rigoroso). OBS.: Muitas simplificações foram feitas para possibilitar a realização da atividade. Na realidade, o mesmo casal de coelhos pode procriar muitas vezes, mantendo seus genes na população. Nessa atividade, consideramos que cada geração de coelhos é resultado de cruzamentos apenas entre os coelhos da geração anterior. Por esse motivo, a freqüência do gene p decresce rapidamente, o que não poderia ser observado na natureza. B) Todas as equipes devem obter o resultado descrito acima. Como os “cruzamentos entre os coelhos” foram feitos ao acaso, pode haver pequenas variações nos valores das freqüências obtidas – alguns grupos poderão observar o desaparecimento do alelo p na população antes de se chegar à 8ª geração, enquanto outros ainda poderão observar o alelo p em uns poucos indivíduos heterozigotos ao final da simulação. C) A observação de Hardy e Weinberg não é verdadeira para a simulação feita na atividade porque havia um fator evolutivo atuando sobre a população de coelhos: a seleção natural. Se o inverno rigoroso não acabasse com os coelhos sem pêlos, eles poderiam atingir a idade adulta, se reproduzir e transmitir seus genes p às futuras gerações – nesse caso, o princípio de Hardy e Weinberg seria verdadeiro. OBS.: Em situações naturais, além de existirem fatores evolutivos atuando sobre as populações, os cruzamentos podem não ser ao acaso – as fêmeas podem ter preferências por determinadas características na hora de escolher um macho. D) O alelo p não teria sua freqüência drasticamente diminuída na próxima geração, pois existiriam coelhos sem pêlos para transmitir esse gene aos descendentes. No entanto, seria necessário que a pessoa protegesse os coelhos pelados durante todos os invernos, senão a situação hipotética voltaria a ser conforme observamos na atividade. E) A emigração e a imigração de coelhos para o bosque poderiam alterar a freqüência dos alelos P e p na população. Imagine que todos os anos um grupo de coelhos se junte à população original e que a maioria dos indivíduos seja, por acaso, heterozigótica para a presença de pêlos (Pp). Esses coelhos possuem condições de sobreviver ao inverno e podem manter o alelo p na população por mais tempo. Podemos também imaginar um grupo de coelhos que deixa o bosque, onde a maioria dos indivíduos é, por acaso, homozigótico dominante. Até a chegada do inverno, a freqüência do alelo P ficaria reduzida na população de coelhos do bosque. F) A evolução pode ser definida como mudança na freqüência de determinados genes dentro de uma população ao longo das gerações. Determinados genótipos podem se tornar mais freqüentes que outros como resultado da seleção natural, sendo que alguns alelos de um gene podem até desaparecer da população. Alguns fenótipos podem se tornar mais comuns entre os indivíduos da população, enquanto outros vão sendo excluídos ou se tornando uma raridade, devido à seleção natural.