Genética populacional: Quando Darwin se juntou a Mendel

RKA5GM Olha! É o nosso amigo, Gregor Mendel, o homem que descobriu os princípios básicos da genética. Espero que lembrem de tudo isso. Cada um dos pais contribuem com uma parte do gene, chamados de "alelos", e alguns desses alelos são dominantes e sempre expressos, enquanto outros são recessivos e somente expressos quando não houver par com um alelo dominante. E esse é nosso amigo Chuck D., deixe-me chamá-lo assim. Toda essa informação descoberta por Mendel teria sido muito interessante para ele, porque Darwin passou sua vida defendendo a ideia de seleção natural como sendo a força do motor da evolução. Darwin não tinha ideia de como traços são herdados, e os dois viveram e trabalharam na mesma época, mas morreram sem saber como suas ideias se complementavam. Hoje, vamos apresentá-lo um ao outro e as suas ideias também, através da ciência genética de populações, que demonstram como genética e evolução influenciam uma sobre a outra. E tem uma boa notícia: isso envolve muita matemática. Genética de populações não é tão complicado, é apenas um estudo de como uma população muda sua espécie através do tempo, liderando a evolução da espécie. Vamos começar pela definição de "população": é um grupo de indivíduos da mesma espécie que podem se reproduzir, porque temos um monte de diferentes testes genéticos, e, ao contrário de Darwin, nós sabemos mais sobre a hereditariedade. Agora podemos estudar as mudanças genéticas em uma população após apenas algumas gerações. Isso é muito interessante e divertido porque é como uma gratificação instantânea. Agora eu enxergo evolução acontecendo na minha vida, sabe? Apenas apague isso da sua cabeça. Agora, a parte da genética de populações ou "Genpop", (ganhamos abreviações interessantes para tudo) envolve o estudo de fatores que causam mudanças, e é chamado de "frequência de alelos", que é a frequência com que um alelo aparece em uma população. Essas mudanças são o centro de como e por que a evolução acontece. Existem diversos fatores que alteram a frequência de alelos em uma população, assim como nos filme Velozes e Furiosos, que já existem oito deles, mas, ao contrário do filme, eles são muito importantes e são a razão básica de toda forma de vida complexa que existe no planeta. E o fator principal seletivo é a seleção natural, a menina dos olhos de Darwin, em que ele passou a maior parte de sua carreira defendendo. Obviamente, sabemos que essa seleção natural produz alelos, produz animais mais fortes e menos suscetíveis a morrerem. A maior parte dos fatores seletivos são ambientais, como comida, predadores e parasitas. À nível populacional, uma das forças revolucionárias mais importantes é a seleção sexual. Genética de populações ganha atenção especial quando estudamos o acasalamento não aleatório, que é o estilo de vida que eu recomendo a todos os meus alunos: não acasalem aleatoriamente. Seleção sexual é a ideia de que certos indivíduos serão mais atrativos do que outros devido a características específicas, isso significa que eles serão mais escolhidos para acasalar e ter mais descendentes. A genética de populações foca em outras coisas, se a seleção sexual não é aleatória. Existem características específicas que são preferidas, mesmo que elas não façam os animais mais aptos a sobreviver. Seleção sexual muda a constituição genética de uma população porque os alelos dos reprodutores mais aptos irão aparecer com mais frequência no fundo genético. Reprodutores irão reproduzir. Outro fato importante aqui é a outra coisa que Darwin desejou ter entendido, é a mutação. Às vezes, quando óvulos e espermatozoides são formados, um erro acontece no processo de compilação do DNA, e esse erro pode resultar na morte ou deformações dos descendentes. No entanto, nem todas as mutações são prejudiciais, algumas vezes esses erros acabam criando novos alelos que beneficiam o indivíduo, aumentando sua capacidade de encontrar comida, evitar predadores ou encontrar um parceiro. Esses erros bobos e os alelos que eles produzem são, então, passados para a próxima geração. Quarto: temos a deriva genética, que é a mudança na frequência dos alelos devido ao acaso, e as chances aumentam muito se a população é pequena, e isso acontece ainda mais rápido se a população é atingida por um tornado ou algo semelhante. Deriva genética não faz indivíduos mais aptos, somente diferentes. Finalmente, quando falamos sobre alelos, você tem que respeitar o fluxo gênico, que é quando indivíduos com genes diferentes encontram o seu lugar em uma população e o transmitem a outros. Imigração e emigração são bons exemplos disso. Como na deriva genética, seus efeitos são mais presentes em populações pequenas. De novo, nossos fatores: seleção natural: os alelos e organismos mais aptos se tornam mais frequentes; seleção sexual: os alelos e organismos sexualmente mais atrativos se tornam mais frequentes; mutação: novas alelos que aparecem por engano no DNA; derivação genética: mudanças na frequência dos alelos devido ao acaso; fluxo gênico: mudança na frequência dos alelos devido à mistura com novas populações geneticamente diferentes. Agora que você já sabe tudo isso, para que eu possa explicar como esses processos influenciam populações, teremos que esquecê-los por completo, isso é o que chamamos de "princípio Hardy-Weinberg". Godfrey Hardy e Wilhelm Weinberg foram dois cientistas que, independentemente, em 1908, descobriram a mesma equação que descreve como, nas devidas circunstâncias, a genética mendeliana funciona em uma população. Mas essas condições ideais assumem que nenhum desses fatores que eu acabei de mencionar estão presentes. A equação de Hardy-Weinberg nos mostra a frequência com a qual você pode esperar encontrar alelos diferentes em uma população que não está evoluindo. Isso é o que chamamos de "equilíbrio de Hardy-Weinberg", no qual a frequência dos alelos em uma população se mantém constante de uma uma geração a outra. Para ter certeza que isso aconteça, erros não são passados à frente, por isso, o equilíbrio de Hardy-Weinberg não precisa da seleção natural, o que significa que nenhum alelo é melhor do que outro, de forma que os melhores alelos não serão selecionados. Não há seleção sexual, o que significa que acasalamento entre a população é totalmente ao acaso, nenhum indivíduo pode ter uma chance melhor do que o outro. Sem mutações, porque mutações modificam o fundo genético. Hardy-Weinberg pedem uma população gigantesca, porque quanto menor a população, mais fácil é de acontecer a deriva genética. Finalmente, sem fluxo gênico, isso significa que ninguém pode trazer a prima bonita de uma outra ilha porque isso bagunçaria frequência dos alelos. Você sabe que eu quero dizer, claramente, sem diversão e um monte de regras. Hardy-Weinberg perceberam isso exatamente ao mesmo tempo, não pode ser tão complicado assim, porque não foi um tipo de inspiração vinda de Einstein, eles simplesmente perceberam coisas que são bem simples. A pergunta é: podemos perceber a mesma coisa hoje? Podemos perceber por nós mesmos? O que estamos procurando é a relação entre o fenótipo e a atual frequência de genes da população. E como fazemos a partir daqui? Hum! Cera de ouvido! A consistência da cera de ouvido é uma característica mendeliana. Cera molhada é "W," porque é dominante, e a cera seca é recessiva, por isso "w". Chamamos a frequência de alelos dominantes de "p", e a frequência de recessivos de "q". Você nunca percebeu que o "q" é o inverso do "p". Como há somente dois alelos para esse gene em toda a população, p + q = 1. Se a frequência de "p" é 75%, o restante só pode ser "q", que será 25% para completar 1. Imagine que fôssemos para essa ilha hipotética de Hardy-Weinberg, e que lá existissem 100 pessoas, cutucamos o ouvido de cada uma, e nove delas têm cera de ouvido seca, isso é 9 de 100, ou 9%, ou 0,09. Você saca de matemática, isso não é "q", não é a frequência do "w" recessivo, é a frequência de "WW", homozigoto "WW". Esse é o fenótipo expressado, não é o genótipo, não sabemos isso ainda, nós sabemos apenas a frequência de "WW". Mas você sabe que haverá um monte de outros alelos "w" espalhados pelos pares heterozigóticos. Como descobrimos onde eles estão? Quantos existem lá? Bom, eu não tenho nenhuma ideia, eu sei que estou preso, não sei, estou perdido. Quando estou preso em situações como essa, o que eu faço é voltar ao que eu sei, e o que eu sei é que a frequência de "W" mais a frequência de "w" é igual a 1, mas isso é para a população inteira, nós queremos saber o genótipo em cada indivíduo, dois alelos diferentes. O que acontece se isso acontecer duas vezes em cada indivíduo? O que precisamos fazer é elevar ao quadrado. Quando elevamos a equação ao quadrado, se você se lembra de álgebra, você obtém p² + 2pq + q² = 1. Isso, meus amigos, é o que Hardy- Weinberg fizeram, e essa é a equação de Hardy-Weinberg. p² são as chances de ter "WW", esse 2pq aqui é os heterozigóticos, e q² é os homozigotos recessivos. Boas notícias! Nós conhecemos "WW", sabemos que é o homozigoto recessivo e é igual a 0,09. Já temos essa informação. Sabemos que q² é 0,09, e que para encontrar o valor de "q", devemos tirar a raiz quadrada, que é um símbolo horrível. Isso é 0,30, uma frequência de 30% do alelo "q" na população. E aí, então, usamos a equação mais simples do mundo para descobrir o que "p" é, ou seja, 1 menos isso, que é 70. Agora, usando a equação de Hardy- Weinberg, nós podemos ir além da frequência dos alelos e falar sobre a frequência dos genótipos. A frequência de "WW" homozigoto dominante é p², nós temos "p", então é só elevar ao quadrado, e isso é igual a 0,49 ou 49% da população é homozigoto dominante. Agora, o restante é mais fácil, porque sabemos "p" e "q". Para descobrir quantos heterozigotos há, nós multiplicamos "p", que é 0,7, vezes "q", que é 0,3, por 2, e isso é igual a 0,42, que é o valor que encontrei de cabeça. Não, eu não sabia isso. 9% da população é homozigoto recessivo, 49% é homozigoto dominante e 42% é heterozigoto, isso nos mostrando quem tem cera de ouvido, assim como "w". O que é legal a respeito disso é que podemos ver as ideias de Mendel funcionando em uma grande população. Quando as contas não dão certo com essa equação, nós sabemos que um desses fatores está presente, provavelmente, mais de 1. Por exemplo, alguns surfistas sarados mudaram para a ilha e todos eles têm cera seca no ouvido, e eles começaram a espalhar seus genes. Todo acasalamento aleatório sempre é bagunçado quando surfistas aparecem.