propriedades emergentes

Prof. Dr. Harold Gordon Fowler [email protected]

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

Ordem Funcional

Termodinâmica: O ordem funcional não ocorre

espontaneamente

Sub-conjunto de ordenamentos funcionais é muito menor do que conjuntos não funcionais = altamente não prováveis

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).

Ordenamentos não funcionais

Ordenamentos funcionais

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:

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?

Ordem Funcional

• 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.

A Vida tem Organização

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.

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.

Organização Hierarquia

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)

Propriedades Emergentes

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.

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?


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

http://www.atd.ucar.edu/rdp/zebra/gif/

http://users.erols.com/ttearth/album.htm

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.

Quais são os mecanismos da integração de sub-unidades numa estrutura coerente?


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.

O que é uma propriedade emergente ?

Muitos Agentes

Regras Simples

Muitas interações

Descentralização

Propriedades Emergentes Não podem ser reduzidas

Nível Macro (ordem de magnitude de diferencia

Efeito de retro-alimentação no nível micro

Definições

Condições

Observação

Aceleração da Emergência

Ray Kurzweil, 2006

Tempo antes do presente (anos)

Te

mpo a

té o

pró

xim

o e

vento

(anos)

Mudança de paradigmas em

15 listas de eventos chaves

Muitos agentes Muitas interações

Regras Simples

Descentralização


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.


Sistemas Naturais


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.

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

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

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;

•

Propriedades do grupo populacional

As populações tem propriedades emergentes:

-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.

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

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

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

Propriedades Emergentes de

Populações

As populações tem estruturas emergentes….

- manadas; caça cooperativa, reprodução tardia indivíduos populações Nascem e morrem taxas de nascimento e mortalidade Dispersam taxas de imigração e emigração Extinção Estruturas populacionais Evoluem

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

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


População

Pode ser descrito pela demografia

– Estadísticas vitais como tamanho,

densidade, distribuição, e estrutura

etária

Padrão estática da população


Amplitude geográfica – a distribuição global de uma população

DISTRIBUIÇÃO 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;



Dispersão – o padrão de espaçamento entre os indivíduos

Padrões de Dispersão

Dispersão Populacional

MMMMMMM

MMMMMMM

MMMMMMM

Estrutura Espacial

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.


Os números relativos de organismos em cada sexo e idade dentro de uma população – Diagramas da estrutura etária representam a

estrutura etária da população

Estrutura etária Padrão estático da população

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: pré- reprodutiva, reprodutiva e pós-reprodutiva.

Razão Sexual

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

Padrão estático da população

Estrutura Sexual

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.

Padrão estático da população

Razão Sexual

A razão sexual

de uma

população

afeita sua

taxa de

crescimento.

Razão maior de machos

Razão maior de fêmeas

Após um ano

Após um ano

Padrão

estático da

população

Padrão dinâmica da população

A amplitude geográfica, tamanho populacional, densidade, e dispersão espacial podem mudar o tempo

Distribuição atual Distribuição potencial

Crescimento populacional local (envelhecimento + reprodução local)

Dispersão de propágulos


Dinâmica Populacional

Adição de indivíduos as populações

Retirada de indivíduos de populações

Tamanho populacional

Nascimentos

Emigração

Mortes

Imigração

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

Mortes

Emigração Imigração Tamanho

populacional


Cada população pode ser descrita pelos parâmetros dinâmicos de:

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


População

Os processos biológicos dinâmicos influenciam a densidade, dispersão, e

demografia


O tamanho populacional pode aumentar, cair, flutuar ou ficar constante no tempo

Os processos biológicos dinâmicos influenciam a densidade, dispersão, e demografia

Tempo >

Abundancia

>

Previsão de idade


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)

Condições para uma

Hierarquia `perfeita´

Aprendemos um método de três

passos, 3 Níveis numa Hierarquia

RESTRINGE O FOCAL E PROPORCIONA

SIGNIFIKCANCIA E CONTEXTO

Nível Focal

Proporciona detalhes para explicar a resposta

Podem existir causas no sentido inferior?

Restrições (Significância) Nível de foco Componentes (explicação)

Células do rim células do coração

Coração Rim

Rim Coração

L+1

L

L-1

(Órgãos)

Células

Tecidos

Órgãos

Pulmão Pancreo Rim

Uma Hierarquia 'Perfeita’

Escalas ou hierarquias geográficas

dos processos ecológicos e evolutivos

Continente

Região

Paisagem

Local

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.

Organização Hierarquia

L + 1 L

L - 1

Padrão da paisagem

Resposta da população

Comportamento Do indivíduo

Hierarquia

Causas descendentes

mecânica

Nível focal

Sugere uma hierarquia danificada

Sugere uma hierarquia engajada

L+1

L

L-1

Animais individuais

Populações numa meta-

população

Assembléia de espécies diferentes

Uma hierarquia 'Imperfeita’?

M.C. ESCHER 1961

Os componentes (L – 1)

Não se juntam corretamente

Variáveis do nível L-1 selecionados

L-1

Um caso típico de números pequenos

Somente poucos variáveis da diversidade podem ser Selecionados em qualquer pesquisa

Tentamos de capturar a dinâmica relevante do sistema

Quais variáveis do habitat (L-1) explicam a densidade populacional (L)?

Uma hierarquia mais real

É mais complexa e por isso tem maiores tampões

Nível L

Nível L

Nível L

Nível L + 1

Explicação Alternativa de


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

Emergência da Essência

de Um Lado

Componente i

Propriedades emergentes

•Um lado

•Uma margem

•Sem orientação


M. C. Escher, Moebius Strip II (Red Ants)

Escopo = S

{elementos dentro as margens de um sistema (espaço)} X {momentos (tempo)}

elementos

margem

sistema tempo

Resolução = R

Distinção menor possível dos elementos (espaço) e momentos (tempo)

Estado

Micro-estado

Macro-estado

Nvvvxxx )),,(),,,(( 321321

),,( VPT

A informação que distingue entre as configurações alternativas do sistema até uma resolução num momento no tempo

Gás Ideal

Relação Macro a Micro

O macro-estado não possui uma resolução menor ou um escapo maior, ou ambos.

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.

SISTEMA INTACTO

COMPONENTES

REGRAS DE ASSEMBLÉIA

ASSEMBLÉIAS POSSIVÉIS DO SISTEMA (REPRESENTAÇÃO)

A distancia do estado verdadeiro da assembléia fica no modelo depende da complexidade do

sistema e as regras de assembléia que usamos

Se essas estruturas tem uma complexidade irreduzível, então não poderiam ter criadas pela evolução. Por que?

Evolução e a origem de maquinas celulares complexas

Flagelo de bactéria

Flagelo de bactéria

“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.”

Michael Behe. Darwin’s Black Box, p. 39

“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."

A maquina inteira tem função...

....mas suas partes componentes não 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.”

Função favorecida pela seleção Natural

Nenhuma função. Por isso, a seleção

natural não forma seus componentes.

Maquina bioquímica Partes Individuais

Partes Individuais

Componentes

originam com funções

diferentes.

Funções novas emergem da

combinação dos

componentes

Maquina bioquímica

“A Complexidade Irreduzível” faz previsão, mas também a

evolução faz previsão

Desenho Inteligente:

Partes sozinhas inúteis

Evolução:

Partes fazem outras

funções

Se retiramos 40 partes do

flagelo:

deixando somente 10 parte

não deve funcionar.

Certo?

“Mais do que outros motores, o

flagelo assemelha uma maquina

desenhada pelo homem.”

Sistema secretório do tipo III (10 partes)

Yrsinia pestis

Flagelo de Bactéria (~50 partes)

“...qualquer precursor de um sistema complexo e irreduzível que não está presente é por definição não funcional.”

Não. Essas 10 partes tem função!

Na realidade, o flagelo contêm muitas partes homologas a outros sistemas

Sistema secretório do tipo

III

Família das proteínas axiais

Transporte iônico

Secreção do tipo II

Transdução de sinais

Na realidade, o flagelo contêm muitas partes homologas a outros sistemas

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.

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!

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.

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;

Camazine, S., Deneubourg, J.-L., Franks, N. R., Sneyd, J., Theraulaz, G., Bonabeau, E. 2001. Self-organization in biological systems. Princeton University Press.

Referencia recomendada

Perguntas?

propriedades emergentes

Education