Name: fitness and selection in populations
Uploaded: 2019-01-31T09:27:05.000Z
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K12 Standards

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NC K-12 Science Standard Course of Study

9-12

Biology

Biological Evolution- Unity and Diversity

LS.Bio.9.1

Natural Selection

Você já ouviu a frase sobrevivência do mais apto? Quando a maioria das pessoas ouve essa frase, pensa em características de condicionamento físico, como velocidade, força e resistência. Mas o que os biólogos realmente querem dizer com aptidão?
Tudo começou quando Charles Darwin publicou A Origem das Espécies em 1859, que despertou muito debate. A Teoria da Seleção Natural de Darwin, que ele definiu como "... o princípio pelo qual cada pequena variação, se útil, é preservada", despertou o interesse de um proeminente pensador do século 19, Herbert Spencer. Em seu livro, Princípios de Biologia, Spencer cunhou a frase "sobrevivência do mais apto" para explicar a Seleção Natural de Darwin. Essa frase ressoou com muitos, incluindo o próprio Darwin, e o termo fitness se tornou popular. 
No entanto, quando os biólogos pensam na aptidão de um organismo, eles não pensam em sua força, velocidade ou resistência. Em vez disso, eles simplesmente consideram a aptidão como o sucesso reprodutivo de um organismo em relação a outros. Veja essas lebres com raquetes de neve, por exemplo. Organismos com maior aptidão relativa têm adaptações que lhes permitem ter mais descendentes que sobrevivem e se reproduzem. Essas adaptações são chamadas de fenótipos, definidos simplesmente como uma expressão visual de uma característica. Por exemplo, as lebres com raquetes de neve são marrons no verão, mas crescem uma pelagem branca quando a temperatura cai. A capacidade de mudar a cor da pele permite que as lebres com raquetes de neve se camuflam. Como as lebres com pelagem branca de inverno são menos visíveis para os predadores na neve, as taxas de sobrevivência são muito maiores para as lebres que ficam brancas no inverno. Como resultado, mais lebres que mudam de cor sobreviverão para se reproduzir no verão. 
Para determinar se a seleção contra um fenótipo está ocorrendo, os cientistas calculam a aptidão de cada fenótipo, conhecida como aptidão relativa, ou 'w'. Isso é feito multiplicando a taxa de sobrevivência - que é a proporção desse fenótipo sobrevivente - pela taxa reprodutiva de cada fenótipo, que é o tamanho médio da ninhada por estação de acasalamento. Em seguida, o valor do produto de cada fenótipo é dividido pelo maior valor do produto entre os fenótipos.
Uma vez que os cientistas conheçam a aptidão relativa, eles podem calcular o coeficiente de seleção, ou 's', que é a força da seleção contra um fenótipo, subtraindo a aptidão relativa de 1. Números mais altos significam seleção mais forte contra esse fenótipo individual. Os cientistas podem usar coeficientes de sobrevivência, aptidão relativa e seleção para descobrir se as populações podem estar mudando ao longo do tempo. Por exemplo, após a Revolução Industrial, a sobrevivência e a aptidão relativa das mariposas salpicadas de cor clara diminuíram e o coeficiente de seleção contra elas aumentou. O efeito sobre a população de mariposas melânicas foi exatamente o oposto, porque as condições eram favoráveis à sua sobrevivência. Após a aprovação da Lei do Ar Limpo, a fuligem desapareceu e os valores de sobrevivência, aptidão relativa e coeficiente de seleção para ambos os fenótipos moveram-se em direções opostas - o que mostra que a seleção favoreceu as mariposas leves novamente. 
Em geral, a maioria das características biológicas com diferentes fenótipos potenciais mostra uma distribuição normal. Vamos pegar as manchas neste grupo de joaninhas como exemplo. Podemos ver que eles têm um número variado de manchas de zero a 12, mas o valor médio da característica está no meio - referido como uma distribuição normal, já que a maioria das joaninhas nesta população tem seis manchas. A altura da curva indica o número de indivíduos na população que exibem a característica dada. Agora imagine que há seleção contra as joaninhas com poucas ou nenhuma mancha porque elas absorvem menos calor e não sobrevivem tão bem em temperaturas frias. Este seria um exemplo de seleção direcional que favorece valores extremos de uma característica em uma direção. 
Para entender outro tipo de seleção, vamos dar uma olhada nos robins. Se uma fêmea de tordo põe cinco ou mais ovos em uma única ninhada, o risco de desnutrição aumenta para os filhotes. Mas se os tordos põem três ou menos ovos, eles podem não ter descendentes viáveis. Então, aqui, a seleção estabilizadora está mantendo uma característica, o tamanho da ninhada do ovo, mas um valor ótimo ... qualquer desvio do qual é desvantajoso. Portanto, a maioria dos tordos põe quatro ovos. 
Na África Ocidental, os tentilhões de bico preto quebram facilmente sementes duras maiores de um tipo de grama de junco, enquanto os tentilhões de bico pequeno manobram e quebram sem esforço as sementes menores de um tipo diferente de junco. Os tentilhões de bico médio não podem abrir nenhuma das sementes com a mesma eficiência e, portanto, raramente são observados. Esse tipo de seleção é chamado de disruptivo - onde os extremos de um fenótipo são ótimos, o que cria uma distribuição bimodal que se desvia do normal. 
Neste laboratório, você modelará quatro cenários populacionais usando limpadores de cachimbo de cores e comprimentos variados que representam diferentes fenótipos e, em seguida, determinará o tipo de seleção que ocorre em cada cenário.

seleção natural

<h4>Aptidão</h4>
A variação generalizada de fenótipos em populações naturais fornece a matéria-prima para a evolução, que é a mudança nas características herdadas das populações ao longo de gerações sucessivas. A seleção natural é um dos principais mecanismos da evolução e requer que características variáveis sejam hereditárias e associadas à sobrevivência diferencial e/ou sucesso reprodutivo. Os fenótipos que se correlacionam com maior sucesso terão mais descendentes que sobrevivem para se reproduzir na próxima geração e, portanto, serão representados em níveis maiores em cada geração sucessiva.
O sucesso reprodutivo de um organismo em relação a outros é conhecido como sua aptidão e qualquer característica hereditária que contribua para a aptidão de um organismo é conhecida como adaptação. Portanto, indivíduos ou fenótipos com maior sucesso reprodutivo ao longo da vida são considerados mais aptos e mais bem adaptados ao seu ambiente.
Um exemplo de aptidão diferencial vem da lebre com raquetes de neve, que é marrom no verão, mas cresce uma pelagem branca no inverno para se camuflar na neve. No entanto, as lebres que mantêm seus casacos marrons de verão ao longo do ano estariam em desvantagem física devido à sua visibilidade relativamente maior para os predadores. Portanto, uma maior visibilidade do predador diminuiria a taxa de sobrevivência do fenótipo da pelagem marrom em relação ao fenótipo da pelagem branca, consequentemente reduzindo seu sucesso reprodutivo ao longo da vida. A mudança climática, no entanto, ameaça organismos que não conseguem se adaptar às condições, portanto, os pesquisadores têm estudado como as lebres com raquetes de neve estão lidando com temperaturas mais quentes e diminuição da cobertura de neve no inverno. As lebres com raquetes de neve que desenvolvem uma pelagem branca em ambientes com cobertura de neve diminuída tornam-se mais visíveis para os predadores, o que reduz seu sucesso reprodutivo. Os pesquisadores descobriram que as lebres com raquetes de neve não alteraram seu comportamento para se adaptar à incompatibilidade em sua camuflagem1 e as lebres incompatíveis experimentaram reduções significativas em suas taxas de sobrevivência2.
O cálculo da aptidão depende da sobrevivência relativa e das taxas reprodutivas de diferentes fenótipos em uma população. Para um determinado fenótipo, a taxa de sobrevivência é a proporção desse fenótipo sobrevivente e a taxa reprodutiva é a prole média produzida por indivíduo. A razão entre os produtos das taxas de sobrevivência e reprodutiva para os diferentes fenótipos é conhecida como aptidão relativa (w). Portanto, para calcular w para cada fenótipo (ou característica), primeiro o produto de multiplicação das taxas de sobrevivência e reprodução é calculado para fenótipos individuais, este é então dividido pelo maior valor de produto entre eles.
w = (SobrevivênciaA x ReproduçãoA) / (Sobrevivênciamáxima x Reproduçãomáxima)
Esta equação pode ser usada por sua vez para calcular a força de seleção em diferentes fenótipos, ou o (s) coeficiente (s) de seleção, subtraindo w de 1. Portanto, o valor do coeficiente de seleção varia entre 0 e 1; quanto menor o valor, maior a seleção em relação à característica específica. Assim, um fenótipo que tenha uma aptidão máxima de 1,0 não experimentará nenhuma seleção.
s = 1 – w
<h4>Escolha</h4>
Existem três tipos principais de seleções: direcional, estabilizadora e disruptiva. A seleção direcional favorece valores extremos de uma característica em uma direção e pode ser induzida por uma mudança no ambiente ao qual a população precisa se adaptar. Um exemplo é a evolução das estruturas diferenciais da mandíbula dos peixes ciclídeos da África Oriental de acordo com a fonte da dieta3. A seleção estabilizadora mantém uma característica em um valor ótimo; é geralmente assumido que qualquer desvio desse ótimo é desvantajoso. Por exemplo, o tamanho do feto humano está sujeito à seleção estabilizadora; Bebês nascidos muito pequenos têm menos probabilidade de sobreviver e bebês muito grandes não podem passar pelo canal do parto durante o parto natural4. A seleção disruptiva favorece dois extremos diferentes de um fenótipo, criando uma distribuição bimodal. A evolução dos bicos do tentilhão quebra-sementes da África Ocidental resultou em dois fenótipos comuns, bicos grandes que quebram facilmente as sementes duras e bicos pequenos para sementes macias. Tentilhões com bicos médios não são particularmente bons em consumir nenhum tipo de semente, portanto, são selecionados contra5.
Uma das maneiras mais importantes pelas quais a seleção natural afeta a vida dos humanos é através do aumento de cepas bacterianas resistentes a antibióticos em hospitais e devido a práticas agrícolas que utilizam quantidades significativas de antibióticos6. O fenômeno da resistência aos antibióticos é uma espécie de forma inadvertida de seleção natural imposta pelos humanos.
Uma questão que avança é se as populações naturais serão capazes de se adaptar aos efeitos das mudanças climáticas com rapidez suficiente para evitar a extinção. Isso depende não apenas da variação existente nas populações, mas também da força da seleção ser alta o suficiente para afetar a mudança rápida na população. A este respeito, o tamanho reduzido da população de muitas espécies em todo o mundo é uma preocupação especial.
<h4>Referências</h4>
<ol class="referências">
	<li>Marketa Zimova, L. Scott Mills, Paul M. Lukacs, Michael S. Mitchell. As lebres com raquetes de neve exibem plasticidade fenotípica limitada para incompatíveis com a camuflagem sazonal. Proc da Royal Society. 2014, Vol. 281, 1782.</li>
	<li>Nowak, Marketa Zimova L. Scott Mills J. Joshua. Altos custos de condicionamento físico da incompatibilidade de camuflagem induzida pelas mudanças climáticas. Cartas de Ecologia. 2016, Vol. 19, 3 (299-307).</li>
	<li>R. Craig Albertson, J. Todd Streelman e Thomas D. Kocher. A seleção direcional moldou as mandíbulas orais dos peixes ciclídeos do Lago Malawi. PNAS. 2003, Vol. 100, (9) 5252-7.</li>
	<li>Susan E. Hiby, Richard Apps, Olympe Chazara, Lydia E. Farrell, Per Magnus, Lill Trogstad, Håkon K. Gjessing, Mary Carrington e Ashley Moffett. KIR materno em combinação com HLA-C2 paterno regula o peso humano ao nascer. J. Imunologia. 2014, Vol. 192, (11) 5069-73.</li>
	<li>Clabaut C, Herrel A, Sanger TJ, Smith TB, Abzhanov A. Desenvolvimento do polimorfismo do bico no quebra-sementes africano, Pyrenestes ostrinus. Evol Dev. 2009, Vol. 11, (6) 636-46.</li>
	<li>Witte, Wolfgang. Consequências médicas do uso de antibióticos na agricultura. ciência. 1998, Vol. 279, (5353) 996-7.</li>
</ol>

Seleção natural

Aptidão
A variação generalizada de fenótipos em populações naturais fornece a matéria-prima para a evolução, que é a mudança nas características herdadas de ...

Education

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Biologia

Evolution

Evolução

fitness and selection in populations

Fitness and natural selection shape how traits spread through a population over time. Variation in inherited phenotypes gives evolution its raw material. When a trait is heritable and affects survival or reproduction, natural selection can change how common that trait becomes in later generations.

Fitness means reproductive success compared with others in the same population. A heritable trait that improves fitness is called an adaptation. Individuals with higher lifetime reproductive success are considered more fit and better suited to their environment.

Snowshoe hares show how differential fitness works in nature. They are brown in summer and grow a white coat in winter to blend into snow. Hares that keep a brown coat all year are easier for predators to see, so they survive and reproduce less. Climate change now creates a mismatch for hares because warmer winters and less snow can make white coats easier to spot. Researchers have found that these hares did not change their behavior to fix the mismatch, and mismatched hares had lower survival rates.

Fitness can be calculated from survival rate and reproductive rate. Survival rate is the proportion that survives, and reproductive rate is the average number of offspring per individual. Relative fitness, or w, is found by dividing the product of survival and reproduction for one phenotype by the highest product in the group. The selection coefficient, s, is then 1 minus w. A phenotype with w = 1.0 has no selection against it.

Natural selection can act in three main ways. Directional selection favors one extreme of a trait, often after an environmental change. East African cichlid fish show this through different jaw shapes linked to diet. Stabilizing selection favors an intermediate optimum. Human fetus size is a good example because babies that are too small or too large can have lower survival. Disruptive selection favors both extremes and selects against the middle. West African seedcracker finches show this pattern because large beaks crack hard sedge seeds and small beaks handle soft seeds, while medium beaks are less effective.

Natural selection also affects human health. Antibiotic resistance in bacteria is a major example, especially in hospitals and in agriculture where antibiotics are used heavily. This is an unplanned form of selection caused by human activity. A major concern now is whether natural populations can adapt fast enough to climate change. Their chances depend on existing variation in the population, the strength of selection, and whether population sizes remain large enough for change to happen.

Fitness and Selection in Populations

natural selection

Fitness and natural selection shape how traits spread through a population over time. Variation in inherited phenotypes gives evolution its raw material. When a trait is heritable and affects survival or reproduction, natural selection can change how common that trait becomes in later generations. Fitness means reproductive success compared with others in the same population. A heritable trait that improves fitness is called an adaptation. Individuals with higher lifetime reproductive success...

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Learn how fitness, relative fitness, and selection coefficients explain natural selection, plus examples such as snowshoe hares, cichlid fish, and antibiotic resistance.

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LS.Bio.9.3

Construct an explanation to explain how natural selection leads to adaptations within populations.

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Use models (including dichotomous keys, scientific nomenclature, cladograms, phylogenetic trees) to identify organisms and exemplify relationships.

LS.Bio.10.2

Understand natural selection as a mechanism for biological evolution.

Fitness and Selection in Populations

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