Em formação

Questão prática sobre evolução, genética populacional e especiação


Machos de cigarras norte-americanos do gênero Magicicada cantam dependendo da espécie em diferentes horários do dia e atraem as fêmeas das espécies correspondentes. As espécies são muito semelhantes, mas ao cruzar têm descendentes estéreis (inférteis). Na espécie M. tredecim, o tempo do canto é determinado pelo locus gênico EARLYBIRD em uma herança intermediária: O alelo EARLYBIRD leva no estado homozigoto ao canto matinal, o alelo pássaro precoce leva no estado homozigoto ao canto noturno, os heterozigotos cantam em meio-dia.

Como a frequência do alelo de ave precoce na espécie M. tredecim muda quando o número de fêmeas de M. tredecassini aumenta? Ele aumenta, diminui ou permanece o mesmo?


Eu acho que isso não mudaria a frequência do alelo do pássaro inicial, porque eles não têm uma vantagem evolutiva. Mas talvez também pudesse diminuir a frequência, porque descendentes inférteis soa como uma desvantagem? Mas não tenho certeza absoluta e não posso fornecer uma razão "biológica" real, já que meus pensamentos são mais como intuição.


Descendentes inférteis realmente parecem uma desvantagem. O indivíduo deve investir uma boa quantidade de recursos para gerar uma prole. Fazer descendentes estéreis é apenas um desperdício de recursos, pois esses descendentes não vão passar nenhum gene adiante para os netos.

Se houver um aumento do tredecdssini mulheres, depois homens tredecim que cantam bem tarde vão acasalar com muitos tredecdssini levando à produção de descendentes estéreis. Portanto, há seleção contra o alelo 'ave precoce' levando a um aumento na frequência do alelo 'EARLYBIRD'.


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Questão prática sobre evolução, genética populacional e especiação - Biologia

A especiação é a formação de uma nova espécie - duas populações de organismos são consideradas espécies diferentes quando não podem mais cruzar e produzir descendentes viáveis. A especiação geralmente acontece quando duas populações se tornam geneticamente distintas uma da outra. Os eventos que podem afetar a diversidade genética de uma população incluem consanguinidade, endogamia e deriva genética.

Especiação ocorre quando algum tipo de barreira impede o cruzamento bem-sucedido entre os membros de uma espécie. Especiação alopátrica ocorre quando a barreira reprodutiva é geográfica & # 8211 é literalmente a separação geográfica de uma população de sua espécie original por um período de tempo longo o suficiente para que se tornem geneticamente distintas. S especiação ímpátrica é a especiação que ocorre quando duas populações se tornam geneticamente distintas quando vivem no mesmo local, geralmente porque se adaptaram a diferentes elementos do mesmo local ou porque desenvolveram comportamentos de acasalamento únicos.

Organismos que se adaptam a ambientes diferentes podem sofrer especiação alopátrica. Adaptação é o processo pelo qual uma população desenvolve gradualmente características que são mais adequadas a um determinado habitat.

Adaptação Conforme o ambiente muda, os indivíduos se adaptam ao ambiente para sobreviver.

A diversidade genética de uma população pode ser afetada por muitos processos, incluindo mutações, endogamia, endogamia e deriva genética.

Consanguinidade é o acasalamento de membros intimamente relacionados de uma espécie, que tem o efeito indesejável de aumentar a frequência de condições ou doenças prejudiciais em uma população. A endogamia diminui a diversidade genética de uma população, aumentando a proporção de indivíduos com genótipos homozigotos e reduzindo a proporção de indivíduos com genótipos heterozigotos, inadvertidamente aumentando a frequência de fenótipos homozigotos recessivos prejudiciais. Exangue, o acasalamento de indivíduos de uma espécie com indivíduos remotamente aparentados tem efeitos opostos e aumenta a diversidade genética. Uma população com maior diversidade genética tem maior aptidão reprodutiva, portanto, a endogamia tende a promover a aptidão reprodutiva.

Deriva genética é uma mudança aleatória na diversidade e / ou número de alelos presentes em uma população. A deriva genética pode ser resultado de um gargalo ou de um efeito fundador. UMA gargalo O efeito é quando um desastre natural ou outra catástrofe mata aleatoriamente uma grande parte da população e diminui drasticamente a diversidade genética. UMA fundador O efeito é quando alguns membros de uma população mudam para um novo habitat e a nova população tem um pool genético muito menor com muito menos diversidade. Como a consanguinidade, a deriva genética freqüentemente resulta em uma diminuição na aptidão reprodutiva de uma população devido à diminuição da diversidade genética.


Questões Práticas

Khan Academy

MCAT Official Prep (AAMC)

Biology Question Pack, vol. 1 Questão 43

Biology Question Pack, vol. 1 Passagem 12 Questão 77

Biology Question Pack, Vol 2. Pergunta 81

Exame simulado 3 B / B Seção Questão 10

• A especiação é o processo pelo qual novas espécies se formam. Ocorre devido a barreiras no cruzamento bem-sucedido dentro de uma espécie inicial que se tornou isolada reprodutivamente e diverge podendo ser de duas formas: alopátrica e simpátrica.

• Polimorfismo é a ocorrência de dois ou mais morfos ou formas diferentes, também chamados de fenótipos.

• Adaptação é a mudança genética em uma população que apresenta um “ajuste” ao meio ambiente.

• A especialização é a variação de características para preencher melhor um nicho.

• Endogamia, endogamia e gargalo são os eventos que podem causar uma mudança na diversidade genética de uma população.

• A endogamia e o gargalo diminuem a diversidade genética, enquanto a endogamia aumenta as chances de diversidade genética.

efeito de gargalo: ampliação da deriva genética como resultado de eventos naturais ou catástrofes

consanguinidade: acasalamento de indivíduos intimamente relacionados

exogamia: raça de pais não intimamente relacionados

espécies: um grupo de organismos vivos que consiste em indivíduos semelhantes, capazes de trocar genes ou cruzar-se.

especiação: a formação de espécies novas e distintas no curso da evolução.

especiação alopátrica: a separação geográfica das populações de uma espécie-mãe e evolução subsequente.

especiação simpátrica: especiação ocorrendo dentro de uma espécie parental que permanece em um local.

fenótipo: o conjunto de características observáveis ​​de um indivíduo resultante da interação de seu genótipo com o ambiente.

seleção natural : um processo no qual organismos individuais ou fenótipos que possuem características favoráveis ​​têm maior probabilidade de sobreviver e se reproduzir

deriva genética: Variação aleatória na frequência relativa de diferentes genótipos em uma pequena população, devido ao desaparecimento casual de genes específicos à medida que os indivíduos morrem ou não se reproduzem.


Questões Práticas de Evolução

1) A evolução acontece aleatoriamente? Explique por que ou por que não.

2) De onde todos os nossos diferentes alelos se originam?

3) Na equação de Hardy-Weinberg, o que cada peça representa?

4) Numa população de 638 peixes com barbatana azul ou castanha, existem 120 peixes com barbatana castanha. O alelo da nadadeira azul é dominante sobre o alelo da nadadeira marrom. Com base na equação de Hardy-Wienberg, quantos alelos marrons existem no total no pool genético?

5) Se a mesma população de peixes da pergunta anterior se reproduz e a próxima geração é de 1020 peixes com 120 peixes de nadadeira marrom, qual porcentagem deveria ser portadora do alelo de nadadeira marrom? Quantos peixes teriam barbatanas azuis?

6) Se essa mesma população de peixes tem uma 3ª geração de 1004 peixes com 95 peixes de barbatana marrom, quantos alelos de barbatana azul no total existem nesta nova geração?

7) Se a mesma população de peixes agora tivesse uma 4ª geração de 1200 peixes com 75 peixes de barbatana marrom, poderíamos dizer que a evolução está acontecendo? Por que ou por que não? Represente graficamente as quatro gerações. Se a evolução está acontecendo, explique que modo de seleção está acontecendo. Por que você acha que há peixes com nadadeiras azuis e peixes com nadadeiras marrons nesta população?

8) Um amigo seu não acredita em evolução. Eles dizem que não há como todos esses diferentes animais evoluírem por acaso. Eles também dizem que se a evolução fosse verdadeira, encontraríamos animais de transição (um animal que está entre dois animais. Como um peixe-lagarto ou um pássaro-lagarto). Eles dizem que ainda não encontramos nenhum animal de transição para provar a evolução. Então, eles dizem que a evolução é apenas uma teoria. Seu trabalho é convencê-los de que a evolução é verdadeira. Em seu argumento, use o máximo de termos e conceitos evolutivos da classe que puder. (15pts)

9) Por que os humanos têm cóccix se não temos cauda?

10) Para que uma população esteja em um Equilíbrio de Hardy-Weinberg, essas 5 condições devem ser aplicadas

4) Tamanho populacional extremamente grande

Explique por que o oposto de cada uma dessas condições leva à evolução

11) Um tubarão é um peixe e um golfinho é um mamífero. Por que eles têm formas corporais muito semelhantes? Eles evoluíram de um ancestral comum recente?

12) Para que uma espécie evolua para duas espécies, o que deve ocorrer?

13) Se um homem e uma mulher passam o dia todo, todos os dias correndo, seus filhos serão mais rápidos do que se não fossem corredores? Por que ou por que não?


Genética de População

A genética populacional é uma subdisciplina da genética que lida com as diferenças genéticas dentro e entre as populações. Este campo examina fenômenos como adaptação, especiação e estrutura populacional. Um dos principais objetivos deste curso é familiarizar os alunos com os modelos básicos de genética populacional e familiarizar os alunos com os testes empíricos desses modelos. Tanto quanto qualquer campo da biologia, a genética populacional foi dividida em um ramo teórico e um empírico. No entanto, esses dois corpos de conhecimento estão intimamente relacionados e este curso irá abranger ambos em quantidades aproximadamente iguais. Discutiremos as principais forças e processos envolvidos na formação da variação genética em populações naturais (mutação, deriva, seleção, migração, recombinação, padrões de acasalamento, tamanho da população e subdivisão da população), métodos de medição da variação genética na natureza e testes experimentais importantes idéias em genética populacional.

Perspectiva

A genética populacional é um campo da biologia que estuda a composição genética de populações biológicas e as mudanças na composição genética que resultam da operação de vários fatores, incluindo a seleção natural. Os geneticistas populacionais perseguem seus objetivos desenvolvendo modelos matemáticos abstratos da dinâmica da frequência do gene, tentando extrair conclusões desses modelos sobre os padrões prováveis ​​de variação genética em populações reais e testando as conclusões em comparação com dados empíricos.

A genética populacional está intimamente ligada ao estudo da evolução e da seleção natural e costuma ser considerada a pedra angular teórica do darwinismo moderno. Isso ocorre porque a seleção natural é um dos fatores mais importantes que podem afetar a composição genética de uma população. A seleção natural ocorre quando algumas variantes em uma população superam outras variantes como resultado de serem mais bem adaptadas ao ambiente, ou "ajustadas". Presumindo que as diferenças de aptidão sejam, pelo menos em parte, devidas a diferenças genéticas, isso fará com que a composição genética da população & # 8217s seja alterada ao longo do tempo. Ao estudar modelos formais de mudança de frequência gênica, os geneticistas populacionais esperam, portanto, lançar luz sobre o processo evolutivo e permitir que as consequências de diferentes hipóteses evolutivas sejam exploradas de maneira quantitativamente precisa.

A visão de síntese original e moderna da genética populacional assume que as mutações fornecem ampla matéria-prima e se concentra apenas na mudança na frequência dos alelos dentro das populações. Os principais processos que influenciam as frequências alélicas são a seleção natural, deriva genética, fluxo gênico e mutação recorrente. Fisher e Wright tinham algumas divergências fundamentais sobre os papéis relativos de seleção e deriva. A disponibilidade de dados moleculares sobre todas as diferenças genéticas levou à teoria neutra da evolução molecular. Nesta perspectiva, muitas mutações são deletérias e, portanto, nunca observadas, e a maioria das restantes são neutras, ou seja, não estão sob seleção. Com o destino de cada mutação neutra deixada ao acaso (deriva genética), a direção da mudança evolutiva é impulsionada pela qual as mutações ocorrem e, portanto, não pode ser capturada apenas por modelos de mudança na frequência de alelos (existentes). A visão da origem-fixação da genética populacional generaliza essa abordagem além das mutações estritamente neutras e vê a taxa na qual uma mudança particular acontece como o produto da taxa de mutação e a probabilidade de fixação.

O campo da genética populacional surgiu nas décadas de 1920 e 1930, graças ao trabalho de R.A. Fisher, J.B.S. Haldane e Sewall Wright. Sua conquista foi integrar os princípios da genética mendeliana, redescobertos na virada do século, com a seleção natural darwiniana. Embora a compatibilidade do darwinismo com a genética mendeliana seja hoje tida como certa, nos primeiros anos do século XX não era. Muitos dos primeiros mendelianos não aceitaram o relato 'gradualista' de Darwin sobre a evolução, acreditando, em vez disso, que novas adaptações deviam surgir em um único passo mutacional, ao contrário, muitos dos primeiros darwinistas não acreditavam na herança mendeliana, muitas vezes por causa da crença errônea que era incompatível com o processo de modificação evolutiva descrito por Darwin. Ao trabalhar matematicamente as consequências da seleção agindo em uma população que obedece às regras de herança de Mendel, Fisher, Haldane e Wright mostraram que o darwinismo e o mendelismo não eram apenas compatíveis, mas excelentes companheiros de cama - isso desempenhou um papel fundamental na formação dos 'neo- Síntese darwiniana ', e explica por que a genética populacional passou a ocupar um papel tão central na teoria evolucionária.

Aprendizagem à distância 2020

Iniciamos as atividades de e-learning na quinta-feira, 12 de março. As e-palestras pré-gravadas (vide infra) será postado em ordem cronológica, do mais recente ao mais antigo, com comentários adicionais, se necessário. Vou carregar todas as minhas palestras (com minha voz cobrindo todos os slides) como arquivos .ppsx (uma apresentação que sempre abre no modo de exibição de slides em vez de no modo de exibição normal). Você pode assistir a essas palestras imediatamente nesta plataforma ou você pode baixar e assistir de seus laptops. Depois de abrir o arquivo .ppsx, ligue os alto-falantes e assista à palestra. Com os arquivos .ppsx, você tem a vantagem de assistir às e-lectures na hora e quantas vezes forem necessárias para entender o essencial do curso. Provavelmente, você pode ter dúvidas sobre diferentes tópicos ou conceitos. Terei o maior prazer em responder às suas perguntas e elaborar mais sobre os pontos estressantes na seguinte página projetada para esse fim: https://www.facebook.com/groups/digitalworldlearning/.

Sessões de Discussão

& # 8220E-palestras para aprendizagem à distância & # 8221

Elementos transponíveis (TEs) contribuíram substancialmente para a evolução da estrutura dos genomas e # 8217. Os artigos a seguir lançam luz sobre o papel dos TEs em causar incompatibilidades genômicas e especiação: Papel dos TEs na Especiação, Genômica da População de TEs e TEs Conduzem a Variação Fenotípica Rápida.

O reforço é um processo pelo qual a seleção natural aumenta o isolamento reprodutivo entre as populações e atua como um iniciador da especiação. Os seguintes artigos são relevantes para os tópicos de reforço e zonas híbridas: Assinaturas genômicas de reforço, hibridização na teoria e prática e reforço como uma especiação de iniciador.


Especiação

Este breve vídeo apresenta as várias maneiras de definir uma espécie e a obscuridade inerente a tentar fazê-lo. Não foque seus alunos nos vários tipos de definições de espécies apresentadas no vídeo. Em vez disso, use a pequena planilha para focar sua atenção na “grande ideia”: que não existe uma definição perfeita de uma espécie.

Projete o vídeo para toda a turma e peça aos alunos que preencham a planilha associada. Você pode discutir as questões da planilha em classe em vez de imprimir planilhas individuais.

Acesso à Internet, projetor, alto-falantes

Espécies iguais ou diferentes?

Os alunos lêem cartões que descrevem pares de organismos e, em seguida, os colocam ao longo de um continuum de especiação, variando de "Definitivamente a mesma espécie" a "Definitivamente espécies diferentes". Os cartões incluem informações sobre o habitat dos organismos, características hereditárias, diferenças de DNA e capacidade de cruzar. Não existe uma maneira particular de construir o continuum, ou uma resposta "certa". Em vez disso, essa atividade é um exercício de pesar evidências e reconhecer que a especiação é um processo.

Peça aos alunos que trabalhem individualmente ou em pares para construir o continuum. Faça uma análise com a turma. O Guia do professor inclui uma “chave de respostas”, notas e perguntas para discussão.

  • Uma forma de definir espécie é um grupo que inclui indivíduos capazes de se reproduzirem uns com os outros.
  • A especiação é um processo.
  • A especiação pode resultar da seleção natural agindo em características herdáveis ​​múltiplas ao longo do tempo.

Páginas do aluno (pdf) e mdash
Faça uma cópia por aluno ou par. Recorte os cartões nas páginas 2-3 (os cartões podem ser reutilizados)

Barreiras reprodutivas

Esta apresentação descreve cinco barreiras diferentes que podem impedir que as populações se cruzem. Projete a apresentação de slides para a turma e discuta. Em vez de focar nos tipos de barreiras reprodutivas, chame a atenção dos alunos para como cada barreira diminui a mistura de alelos e como a seleção natural pode moldar as características de cada população de maneira diferente.

  • A especiação começa quando as barreiras à reprodução dentro de uma população levam a duas populações isoladas reprodutivamente cujos alelos não estão mais se misturando.
  • Populações isoladas reprodutivamente podem ganhar ou perder alelos de forma independente por meio de mutação e seleção natural.
  • Com o tempo, as populações isoladas reprodutivamente tornam-se cada vez mais diferentes em seu DNA e características.

Acesso à Internet, projetor

As moscas das frutas da maçã e do espinheiro estão se tornando duas espécies diferentes?

Hawthorns to Apples

Este breve vídeo apresenta a história do espinheiro-alvar e das moscas-da-maçã, estabelecendo o seguinte Novo hospedeiro, nova espécie? atividade. Por meio deste estudo de caso, os alunos examinarão se a população de moscas que vivem das maçãs está se tornando uma nova espécie. Projete o vídeo para toda a classe imediatamente antes do Novo hospedeiro, nova espécie? atividade. Reveja os principais pontos do vídeo e prossiga.

  • Existem oportunidades para observar a especiação acontecer em tempo real.
  • As espécies diferem umas das outras em vários traços hereditários.

Acesso à Internet, projetor, alto-falantes

Novo hospedeiro, nova espécie?

Os alunos examinam várias linhas de evidência para determinar se uma população de moscas que se mudou para as maçãs está ou não se diferenciando em uma nova espécie, então eles escrevem um argumento com evidências de apoio.

Esta atividade envolve várias etapas, que são explicadas em mais detalhes no Guia do Professor:

  1. Os alunos avaliam uma das três linhas de evidência em pequenos grupos, preenchendo uma planilha e um Organizador de Especiação para sua linha de evidência.
  2. Pequenos grupos se reportam à classe e os alunos adicionam informações dos grupos ao organizador de Especiação que eles começaram.
  3. Os alunos consideram todas as evidências apresentadas e escrevem um argumento que inclui alegação, evidência e raciocínio, usando o organizador de Especiação preenchido como suporte.

Chaves de resposta e idéias de extensão também estão incluídas no Guia do Professor

  • Uma população é um grupo de indivíduos que vivem na mesma área e cujos alelos são misturados por meio da reprodução.
  • A especiação começa quando as barreiras à reprodução dentro de uma população levam a duas populações isoladas reprodutivamente cujos alelos não estão mais se misturando.
  • A especiação é o processo pelo qual novas espécies se formam. Um evento de especiação representa um ponto de ramificação, onde uma linhagem genética se divide em duas.
  • Barreiras à reprodução, seleção para diferentes características hereditárias, capacidade reduzida de produzir descendentes híbridos e mistura de alelos reduzida contribuem para a especiação.

Os alunos usam os dados para decidir se a introdução de um novo fator ambiental (causa) está ou não levando uma população a diversificar em espécies separadas (efeito).

Os alunos analisam dados de estudos reais e geram uma reclamação com base nesses dados.

Cópias, câmera de documentos (opcional)

Faça uma cópia por aluno:
Organizador de especiação (pdf preenchível)
Observação: se os alunos usarem o pdf eletronicamente, eles podem usar a ferramenta de realce para marcar suas respostas para as perguntas “considere as evidências”.

Divida a classe em três "Grupos de especialistas". Faça cópias suficientes para garantir uma cópia por membro do grupo:
Preferência de frutas (pdf preenchível)
Tempo do ciclo de vida (pdf preenchível)
Alelos (pdf preenchível)

Unidade e Diversidade de Vida

Este vídeo resume os conceitos-chave da especiação, descrevendo como os mesmos processos realizados por longos períodos de tempo levaram à diversificação da vida de ancestrais comuns.

Projete para a turma e discuta.

  • A ramificação contínua e a evolução independente de novas linhagens genéticas levou à diversidade da vida.
  • Depois de divergir de um ancestral comum, as linhagens em evolução independente podem acumular muitas mudanças de características por meio da seleção natural, agindo ao longo de muitas gerações.
  • As diferenças se acumulam com o tempo.
  • O tempo evolutivo é imenso.
  • Com tempo suficiente, muitas mudanças podem acontecer.

Acesso à Internet, projetor, alto-falantes

Antes de prosseguir.

Antes de prosseguir, certifique-se de que seus alunos entendam o seguinte:

  • As espécies diferem umas das outras em vários traços hereditários.
  • A mutação, o embaralhamento de alelos e a seleção natural que agem em características múltiplas ao longo de muitas gerações em populações isoladas reprodutivamente causam a divergência nas características dos seres vivos.

Avaliação Somativa

Esta avaliação final da unidade pede aos alunos que expliquem como a evolução faz com que as espécies ganhem ou percam características ao longo do tempo.

A avaliação somativa usa itens ACORNS que são projetados para serem analisados ​​com o EvoGrader. Para obter mais informações sobre o EvoGrader, visite http://www.evograder.org

Para obter mais informações sobre ideias ingênuas e baseadas na ciência que EvoGrader analisa, consulte as tabelas 1 e 2 do seguinte artigo: href estimado-tempo ">


Questões de desafio para a prática científica

A figura mostra um gráfico da fração, em porcentagem, de famílias de organismos marinhos, vivendo em um determinado ponto no tempo, que se extinguiram (desapareceram do registro fóssil) no momento geológico seguinte. Essas extinções em massa marcam o fim dos períodos geológicos. Por exemplo, o período Triássico terminou há cerca de 213 milhões de anos (Mya).

A. O fato de que a evolução é um processo contínuo é ilustrado por esses dados. Se o processo exibe um padrão envolvendo intervalos regulares é uma questão que foi levantada. Daqueles que acreditam que a periodicidade está presente, um período de 26 milhões de anos é o preferido. Uma onda com essa periodicidade é desenhada na figura. Avaliar as evidências fornecidas em termos de concordância e discordância com o registro de extinção marinha.

O Cretáceo e o Jurássico foram períodos de massas de terra quentes cobertas por um mar raso. Sabe-se que o fim desses períodos se deve aos asteróides que deixaram vestígios sedimentares. No final do Triássico, não há evidência de impacto de um asteróide. Em vez disso, houve um vulcanismo maciço associado à abertura do Oceano Atlântico, um aumento de quatro vezes no dióxido de carbono e um aumento de temperatura de 3-6 ° C (A. Marzoli et al., Ciência, 1999). Dados de macrofósseis, esporos e pólen mostram que as espécies de animais marinhos diminuíram muito mais do que as espécies de plantas marinhas (L. Mander et al., Proc Natl Acad Sci, 2010). A causa do fim do período Permiano é menos incerta, mas um aumento de temperatura de 8 ° C foi estabelecido (McElwain e Punyasena, Tendências em ecologia e evolução, 2007). Táxons terrestres e marinhos foram afetados.

O gráfico estima o número de famílias distintas, incluindo marinhas e terrestres, em função do tempo anterior ao presente. Observe que a escala de tempo para este gráfico é muito mais longa do que a do gráfico anterior.

  • identificando tempos de extinções em massa
  • colocar uma questão sobre qualquer diferença entre o gráfico das extinções da vida marinha e o gráfico da diversidade ao nível da família
  • explicando a inclinação do gráfico da diversidade familiar após um evento de extinção em massa

Lactato desidrogenase, uma enzima envolvida na glicólise, de várias espécies são comparadas usando uma técnica de Southern blot na figura à esquerda: (A) levedura (B) caracol (C) camundongo (D) rato e (E) humano (após K . Webster, Journal of Experimental Biology 2003).

A. Justifique a afirmação de que esses dados fornecem evidências que apóiam a glicólise como uma propriedade de núcleo conservada.

Existem três formas de lactato desidrogenase, cujas funções variam dentro de um organismo: LDH-A, -B e -C. A questão que se coloca é quanto à origem de cada um. O cladograma à direita (após S. Tsuji et al., Proc Natl Acad Sci 1994) exibe uma proposta de parentesco de variações em LDHs em muitas espécies.

B. Com base nestes dados, descreva as diferenças entre as sequências evolutivas prováveis ​​de LDH-A, -B e -C na rã africana e em humanos.

C. Avalie a alegação de que em ambas as espécies (rã africana e humana), o LDH-C é a forma mais recente de evolução da enzima.

As sequências de repetição de nucleotídeos freqüentemente ocorrem dentro do íntron, e a variação da sequência é neutra, ou seja, não há seleção. Por exemplo, a sequência de repetição de nucleotídeos marcada com A pode ser ACGGGC, e a sequência de repetição marcada com B pode ser ACTGGT. As sequências repetidas evoluem por duplicação, deleção e inversão em uma única etapa, em vez da substituição de um único nucleotídeo. Como essas sequências repetidas podem ser usadas para inferir a filogenia, uma árvore filogenética pode ser hipotetizada com base no princípio da parcimônia - a explicação mais simples é a melhor explicação. Considere as sequências repetidas A, B, C, D e E mostradas na tabela abaixo, nas quais apenas inversões ocorreram entre cinco espécies diferentes.

Espécie 1 ABCDE
Espécie 2 ADCBE
Espécie 3 BACED
Espécie 4 DACBE
Espécie 5 ABCED
Espécie 6 DEBCA

A. Faça três perguntas que podem ser usadas para inferir a evolução dessas cinco espécies.

B. Desenhe linhas entre os parentes mais próximos para construir um cladograma que exiba as relações inferidas pelas respostas às suas perguntas.

Carson (Genética de drosófila 1983) usaram inversões em sequências de repetição de íntron da mosca-das-frutas para inferir a evolução entre os havaianos Drosófila. Ele ainda atribuiu a seqüência cronológica de ilhas nas quais as moscas apareceram, assumindo (parcimoniosamente) que a geologicamente mais antiga das ilhas vulcânicas era o lar do mais antigo ancestral das moscas. Quando uma mosca ou moscas chegavam a uma ilha mais nova, ocorria a especiação, que, depois de um tempo, se estabilizava até ocorrer outro salto na ilha.

C. Avalie o raciocínio de Carson para especiação e evolução contínua.

D. Faça duas perguntas cuja busca poderia fornecer evidências adicionais da sequência evolutiva hipotética de Carson.


Simulação de evolução

No Evolução: 10.000 os alunos de simulação podem rastrear uma população de organismos fictícios em um período de 10.000 anos, com dados produzidos a cada 1.000 anos. Podem ocorrer mutações na população e o ambiente pode mudar com o passar do tempo. Esta simulação não cobre a especiação; presume-se que a população permaneça cruzando durante todo o período de tempo.

O usuário pode selecionar a composição geral dos fenótipos na população inicial. O usuário também seleciona o ambiente inicial escolhendo a temperatura geral (quente / frio) e precipitação (úmido / seco), bem como o substrato (rocha / solo). A simulação possui vários componentes aleatórios integrados que podem afetar as taxas de sobrevivência e mudanças ambientais. Devido a isso, embora surjam padrões gerais, cada execução da simulação provavelmente será diferente.

Três planilhas estão disponíveis no Recursos página. O nível 1 é uma versão mais simples que pode ser apropriada para o ensino médio ou algumas séries do 9º ao 10º ano. O nível 2 é projetado para um curso introdutório de biologia no ensino médio. Além disso, há uma opção exploratória que pede aos alunos que selecionem questões para estudar usando a simulação. Esta opção requer que os alunos façam execuções adicionais da simulação e façam escolhas sobre como registrar seus próprios dados. Estes também são disponível em um documento do Google formato que é fácil de ser preenchido totalmente online. Obviamente, este é um recurso aberto e os professores podem fazer ajustes nesses recursos ou fazer os seus próprios.

Além da evolução, há uma pequena quantidade de sucessão ecológica incluída na simulação. Se o usuário selecionar rocha como substrato inicial ou se houver atividade vulcânica durante a simulação, o ambiente mudará para solo com o tempo. Existem também variações ambientais com base na quantidade de precipitação e temperatura média. Esses aspectos não são muito detalhados, mas podem ser usados ​​para iniciar uma conversa sobre como o clima afeta os tipos de ecossistemas encontrados em uma área.


Por que desejamos prever a evolução?

Dada a mudança acelerada nos fatores ambientais globais, como mudanças climáticas, mudanças no uso da terra, espécies introduzidas e doenças infecciosas emergentes, este é um momento crítico para avaliar se podemos fazer previsões sobre a evolução (Pau et al. 2011, Lassig et al. 2017) . Do ponto de vista da conservação, podemos desejar prever populações ou espécies específicas que estão em risco de extinção. Ou podemos desejar prever (ou criar) os genótipos e fenótipos específicos que permitirão a uma espécie ou população se adaptar e resistir à extinção em face da mudança climática global. Um agricultor pode precisar prever a taxa e o tempo de resistência a um pesticida ou herbicida ou a resposta de um sistema agrícola a uma praga ou doença introduzida. A previsão evolutiva também se aplica à saúde humana. A medicina moderna está enfrentando uma crise associada à evolução da resistência multiespectral aos antibióticos em patógenos humanos. A previsão evolutiva pode permitir o desenvolvimento de novos regimes de tratamento que podem prevenir a evolução da resistência aos medicamentos em patógenos. Da mesma forma, na pandemia Sars-Cov-2 causando COVID-19, há amplo interesse em prever a trajetória evolutiva do vírus (por exemplo, Kober et al. 2020, Rehman et al. 2020). Especificamente, o vírus evoluirá para ser mais ou menos virulento? Como as várias políticas de distanciamento social alterarão essa trajetória evolutiva? As previsões de evolução viral são especialmente cruciais no desenvolvimento de vacinas, para garantir que as vacinas (e a imunidade que elas produzem) tenham um efeito duradouro.

No entanto, a complexa organização dos sistemas biológicos e do processo de evolução significa que a previsão precisa ser abordada e compreendida em vários níveis. Por exemplo, sabemos que o aumento das temperaturas e a acidificação dos oceanos apresentam desafios significativos para as espécies de corais em todo o globo. Do we need to predict the likelihood of extinction for a given population or species of coral? Do we need to predict the specific biochemical pathways or processes and underlying genes that will respond to selection under these conditions so we can identify (or create) appropriate genotypes to facilitate adaptation and prevent extinctions? A similar example in human health might be the evolution of human macrophage attack in Escherichia coli. Experimental evolution in pathogenic E. coli has shown these bacteria can evolve resistance to the human immune system (Ramiro et al. 2016). These experiments demonstrated that the biochemical pathway in which adaptation occurred (the electron transport associated with energy producing catabolism) could be reliably predicted, but that the specific genes and mutations that conferred resistance could not be predicted (Ramiro et al. 2016). This result illustrates the point that our ability to predict varies with the level of biological organization being studied. In a similar vein, cancer evolution during growth and metastasis within patients is often highly idiosyncratic, varying from patient to patient, making it difficult to develop broadly effective, anticipatory therapies that head off tumor evolution. Prediction, in this case, would improve our ability to generate patient specific treatment regimes, but the scale and scope of the goal are quite different from either of the other examples above.


Science Practice Challenge Questions

Influenza A virus is the most pathogenic of the human influenza viruses. Its envelope encloses a protein complex (vRNP) and eight, single-stranded, negative RNA (the complement of a positive RNA strand that can be transcribed by a ribosome) segments (vRNA). Each segment encodes one or two proteins that support viral replication. On the outer surface of the envelope are proteins that recognize and bind to host receptors.

A. Annotate the representation below to briefly describe each process associated with a numbered label.

B. Describe influenza A viral replication as a process regulated by either positive or negative feedback and justificar your selection.

The human-acquired immunodeficiency syndrome (AIDS) and many cancers are cause by double-stranded RNA retroviruses.

C. Contraste the processes of viral replication of HIV and influenza A virus.

D. Explique the difference in the effects of infection by HIV and influenza A virus on host genetic variability.

E. Measured mutation rates for influenza A virus and HIV are nearly identical (Sanjuan et al., Jour. Virologia, 2010). Explique this observation even though host error-checking operates in one of these replication modes.

Three-dimensional (3D) structures, or folding, of proteins have been shown to contain more information about evolutionary relationships than the sequences of DNA nucleotides that encode the proteins. Amino acid sequences of rabbit skeletal muscle actin (375 amino acids) and bovine ATPase (386 amino acids) have only 39 locations in common. However, the 3D structure of these proteins are nearly identical (Flaherty et al., Proc. Natl. Acad. Sci. EUA, 1991). As information about the 3D folding of proteins and the number of sequenced whole genomes has increased, folding has been shown to be an evolutionarily conserved property.

UMA. Analisar these data to refine the following model: The evolutionary history of life on Earth can be inferred from variations over time of the nucleotide sequence of a gene.

By applying a classification scheme based on protein folding, Nasir and Caetano-Anollés (Sci. Adv. 2015) have determined the number of folding families that viruses share with the three domains. Approximately 60% of the folding patterns found in viruses were common to all three domains, as shown below. Fewer than 10% were unique to viruses.

Viruses are acellular, and, consequently, they lie outside of the three domains of cellular life. However, their exclusion is increasingly challenged. Since 2012, several very large viruses have been discovered, each a double-stranded DNA virus with more than one million bases, with some encoding nucleotides and amino acids. However, none encode ribosomes, so these viruses are still dependent on a marine bacteriovore (amoeba or flagellate) host for replication.

Hypotheses regarding the origin of life on Earth need to account for the relationship between proteins and genetic information. Proteins are required to read and write genetic information, but genetic information is required to synthesize proteins. Which of these systems evolved first, and if neither came first, how could they evolve simultaneously? The RNA-first model is based on the idea that ribosomal RNA both encodes and synthesizes proteins.

B. Describe a hypothesis for the origin of life on Earth that combines the dual functionality of RNA and the function of retroviral reverse transcriptase to propose a mechanism leading to an ancient, acellular lineage of very large, double-stranded DNA viruses and a first DNA-based cellular life form.

C. Like viruses, the nucleus of a eukaryote uses the machinery of the cell to transcribe DNA and synthesize proteins. Avalie the possibility of the origin of Eukarya by specialization of a very large double-stranded DNA virus.

Viruses evolve but leave no fossil evidence that can be used to construct phylogenies. However, viral DNA, especially that of retroviruses, is commonly found in the host genome. By comparing sequences from the same virus integrated at different points in time, the evolutionary history of the virus can be constructed. The viral genomes are typically found incomplete, in segments, and interrupted by stop codons. In jawed vertebrates, retroviral sequences or sequences that have been derived from them are a significant fraction of the whole genome.

UMA. Explique why retroviral DNA rather than the genomes of single-stranded or double-stranded DNA or single-stranded RNA viruses are found in host DNA.

Exaptation occurs when gene expression provides a function that is independent of the selection pressures that have acted on the gene. For example, a pigment that provided selective advantage by reducing damage from solar radiation becomes an element of mating behavior. Feathers that evolved under selection to prevent heat loss become a means of flight.

In a study of viral evolution within host genomes of primates, Katzuorakis and Gifford (PLOS Genetics, 2010) found that viral genomes within the host were surprisingly stable with computer simulation, they estimated the probability of such constancy at 1 in 100,000.

B. Explique in terms of selection how viral genetic information that no longer replicates the virus is maintained by the host.

Distemper is an incurable disease of cats, dogs, and their sister lineages caused by a parvovirus. The virus exploits the host’s transferrin, a membrane-bound protein used for iron transport, to attach to the cell. The phylogeny of the Parvoviridae family has been constructed (J. Kaebler, PLOS Pathogens, 2012). That study revealed the evolution of both the virus and the host protein through selection to resist infection. About 54 million years ago when the lineage of cats (Feliformia) diverged from that of dogs (Caniformia), the parvovirus envelope diverged as well, conforming to changes in the host’s transferrin. In 1978, a worldwide disease in dogs due to a parvovirus suddenly appeared.

C. Explique how this pandemic could have originated in the cat population.

A simple calculation of the rate of spread of a pox virus (virion) led researchers at Imperial College London to a new insight. Virions communicate with other virions. The researchers observed that the radius of an approximately circular plaque of infected cells grew to 1.45 mm in just 3 days. They measured the distance between adjacent cells to be 0.037 mm to obtain the apparent time for the lytic cycle (from infection to lysis). They compared this time to the actual rate at which new virions are formed: 5 to 6 hours.

UMA. Predict the radius of infection if the infection process involved a sequence of entry, replication, lysis, and infection of an adjacent cell.

To account for this discrepancy between observed and predicted growth rates, the researchers examined the viral entry process and discovered that the actin protein on the host cell’s surface that provided the viral receptor was modified by attachment. They then found a mutant virus that did not modify the cell surface protein. The dependence of the growth of plaque radius on time for the wild type and mutant are shown in the graph.

B. Analisar these data and compare the infection rates calculated with those predicted in part A.

C. Use the results of this experiment to support the claim that responses to information and communication of information affect natural selection.

Describe how viral replication introduces genetic variation in the viral population.


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