Unless one embraces activities as foundational, understanding activities in mechanisms requires an account of the means by which entities in biological mechanisms engage in their activities—an account that does not merely explain activities in terms of more basic entities and activities. Recent biological research on molecular motors exemplifies such an account, one that explains activities in terms of free energy and constraints. After describing the characteristic “stepping” activities of these molecules and mapping the stages of those steps onto the (...) stages of the motors’ hydrolytic cycles, researchers pieced together from images of the molecules in different hydrolyzation states accounts of how the chemical energy in ATP is transformed in the constrained environments of the motors into the characteristic activities of the motors. We argue that New Mechanism’s standard set of analytic categories—entities, activities, and organization—should be expanded to include constraints and energetics. Not only is such an expansion required descriptively to capture research on molecular motors but, more importantly from a philosophical point of view, it enables a non-regressive account of activities in mechanisms. In other words, this expansion enables a philosophical account of mechanistic explanation that avoids a regress of entities and activities “all the way down.” Rather, mechanistic explanation bottoms out in constraints and energetics. (shrink)

One of the most plausible and widely discussed examples of strong emergence is molecular structure. The only detailed account of it, which has been very influential, is due to Robin Hendry and is formulated in terms of downward causation. This paper explains Hendry’s account of the strong emergence of molecular structure and argues that it is coherent only if one assumes a diachronic reflexive notion of downward causation. However, in the context of this notion of downward causation, the (...) strong emergence of molecular structure faces three challenges that have not been met and which have so far remained unnoticed. First, the putative empirical evidence presented for the strong emergence of molecular structure equally undermines supervenience, which is one of the main tenets of strong emergence. Secondly, it is ambiguous how the assumption of determinate nuclear positions is invoked for the support of strong emergence, as the role of this assumption in Hendry’s argument can be interpreted in more than one way. Lastly, there are understandings of causation which render the postulation of a downward causal relation between a molecule’s structure and its quantum mechanical entities, untenable. (shrink)

Whether or not quantum physics can account for molecular structure is a matter of considerable controversy. Three of the problems raised in this regard are the problems of molecular structure. We argue that these problems are just special cases of the measurement problem of quantum mechanics: insofar as the measurement problem is solved, the problems of molecular structure are resolved as well. In addition, we explore one consequence of our argument: that claims about the reduction or (...) emergence of molecular structure cannot be settled independently of the choice of a particular resolution to the measurement problem. Specifically, we consider how three standard putative solutions to the measurement problem inform our under- standing of a molecule in isolation, as well as of chemistry’s relation to quantum physics. (shrink)

Jacques Monod (1971) argued that certain molecular processes rely critically on the property of chemical arbitrariness, which he claimed allows those processes to “transcend the laws of chemistry”. It seems natural, as some philosophers have done, to interpret this in modal terms: a biological relationship is chemically arbitrary if it is possible, within the constraints of chemical “law”, for that relationship to have been otherwise than it is. But while modality is certainly important for understanding chemical arbitrariness, understanding its (...) biological role also requires an account of the concrete causal-functional features that distinguish arbitrary from non-arbitrary phenomena. In this paper I elaborate on this under-emphasised aspect by offering a general account of these features: arbitrary relations are instantiated by mechanisms that involve molecular adapters, which causally couple two properties or processes which would otherwise be uncorrelated. Additionally, adapters work by acting as intermediate rather than cooperating causes. (shrink)

Autoinhibition is a design principle realized in many molecular mechanisms in biology. After explicating the notion of a design principle and showing that autoinhibition is such a principle, we focus on how researchers discovered instances of autoinhibition, using research establishing the autoinhibition of the molecular motors kinesin and dynein as our case study. Research on kinesin and dynein began in the fashion described in accounts of mechanistic explanation but, once the mechanisms had been discovered, researchers discovered that they (...) exhibited a second phenomenon, autoinhibition. The discovery of autoinhibition not only reverses the pattern in terms of which philosophers have understood mechanism discovery but runs counter to the one phenomenon-one mechanism principle assumed to relate mechanisms and the phenomena they explain. The ubiquity of autoinhibition as a design principle, therefore, necessitates a philosophical understanding of mechanisms that recognizes how they can participate in more than one phenomenon. Since mechanisms with this design are released from autoinhibition only when they are acted on by control mechanisms, we advance a revised account of mechanisms that accommodates attribution of multiple phenomena to the same mechanism and distinguishes them from other processes that control them. (shrink)

In this work, polystyrene/waste tires composites were prepared using the melt-mixing method.. The effect of the preparation conditions of the PS/waste tires composite is investigated in this work by using Gel permeation chromatography (GPC) technique. Stability at elevated temperatures were found to increase with the addition of waste tires to PS as confirmed by the results. GPC results indicate that the preparation conditions of the PS/waste tires composite has no effect on the Ps chains as indicated by GPC technique. The (...) signals of the GPC for unfilled and filled PS are similar. That evidences no thermo-mechanical chain degradation is taken place during the addition of the waste tires under the conditions of the melt-mixing process . (shrink)

In (Weaver 2021), I showed that Boltzmann’s H-theorem does not face a significant threat from the reversibility paradox. I argue that my defense of the H-theorem against that paradox can be used yet again for the purposes of resolving the recurrence paradox without having to endorse heavy-duty statistical assumptions outside of the hypothesis of molecular chaos. As in (Weaver 2021), lessons from the history and foundations of physics reveal precisely how such resolution is achieved.

The Hodgkin–Huxley (HH) model of the action potential is a theoretical pillar of modern neurobiology. In a number of recent publications, Carl Craver ([2006], [2007], [2008]) has argued that the model is explanatorily deficient because it does not reveal enough about underlying molecular mechanisms. I offer an alternative picture of the HH model, according to which it deliberately abstracts from molecular specifics. By doing so, the model explains whole-cell behaviour as the product of a mass of underlying low-level (...) events. The issue goes beyond cellular neurobiology, for the strategy of abstraction exhibited in the HH case is found in a range of biological contexts. I discuss why it has been largely neglected by advocates of the mechanist approach to explanation. 1 Introduction2 A Primer on the HH Model2.1 The basic qualitative picture2.2 The quantitative model3 Interlude: What Did Hodgkin and Huxley Think?4 Craver’s View4.1 Mechanistic explanation4.2 Sketches4.3 Craver's view: The HH model as a mechanism sketch5 An Alternative View of the HH Model5.1 Another look at the equations5.2 The discrete-gating picture5.3 The road paved by Hodgkin and Huxley5.4 Summary and comparison to Craver6 Conclusion: The HH Model and Mechanistic Explanation6.1 Sketches and abstractions6.2 Why has aggregative abstraction been overlooked? (shrink)

Using as case studies two early diagrams that represent mechanisms of the cell division cycle, we aim to extend prior philosophical analyses of the roles of diagrams in scientific reasoning, and specifically their role in biological reasoning. The diagrams we discuss are, in practice, integral and indispensible elements of reasoning from experimental data about the cell division cycle to mathematical models of the cycle’s molecular mechanisms. In accordance with prior analyses, the diagrams provide functional explanations of the cell cycle (...) and facilitate the construction of mathematical models of the cell cycle. But, extending beyond those analyses, we show how diagrams facilitate the construction of mathematical models, and we argue that the diagrams permit nomological explanations of the cell cycle. We further argue that what makes diagrams integral and indispensible for explanation and model construction is their nature as locality aids: they group together information that is to be used together in a way that sentential representations do not. (shrink)

The rise of molecular epigenetics over the last few years promises to bring the discourse about the sociality and susceptibility to environmental influences of the brain to an entirely new level. Epigenetics deals with molecular mechanisms such as gene expression, which may embed in the organism “memories” of social experiences and environmental exposures. These changes in gene expression may be transmitted across generations without changes in the DNA sequence. Epigenetics is the most advanced example of the new postgenomic (...) and context-dependent view of the gene that is making its way into contemporary biology. In my article I will use the current emergence of epigenetics and its link with neuroscience research as an example of the new, and in a way unprecedented sociality of contemporary biology. After a review of the most important developments of epigenetic research, and some of its links with neuroscience, in the second part I reflect on the novel challenges that epigenetics presents for the social sciences for a re-conceptualization of the link between the biological and the social in a postgenomic age. Although epigenetics remains a contested, hyped, and often uncritical terrain, I claim that especially when conceptualized in broader non-genecentric frameworks,. (shrink)

Causation has multiple distinct meanings in genetics. One reason for this is meaning slippage between two concepts of the gene: Mendelian and molecular. Another reason is that a variety of genetic methods address different kinds of causal relationships. Some genetic studies address causes of traits in individuals, which can only be assessed when single genes follow predictable inheritance patterns that reliably cause a trait. A second sense concerns the causes of trait differences within a population. Whereas some single genes (...) can be said to cause population-level differences, most often these claims concern the effects of many genes. Polygenic traits can be understood using heritability estimates, which estimate the relative influences of genetic and environmental differences to trait differences within a population. Attempts to understand the molecular mechanisms underlying polygenic traits have been developed, although causal inference based on these results remains controversial. Genetic variation has also recently been leveraged as a randomizing factor to identify environmental causes of trait differences. This technique—Mendelian randomization—offers some solutions to traditional epidemiological challenges, although it is limited to the study of environments with known genetic influences. (shrink)

Saturated free fatty acids-induced hepatocyte lipoapoptosis plays a pivotal role in non-alcoholic steatohepatitis. Theactivation of endoplasmic reticulum (ER) stress isinvolved in hepatocyte lipoapoptosis induced by thesaturated free fatty acidpalmitate (PA). However, the underlying mechanismsof the role of ER stress in hepatocyte lipoapoptosis remain largely unclear.In this study, we showed that PA and tunicamycin (Tun), a classic ER stress inducer, resulted in differential activation of ERstress pathways. Our data revealed that PA inducedchronic and persistent ER stress response, but Tuninduced acute and (...) transientER stress response. Compared with Tun treatment, PAinduced much lower glucose-regulated protein 78 (GRP78), a centralregulator of ER homeostasis, accumulation. It is noteworthy that GRP78 over-expression not only inhibited PA-induced ERstress but also decreased PA-induced apoptosis. Taken together, our data suggest that the differentialactivation of ER stresssignal plays an important role in PA-induced hepatocyte lipoapoptosis. More detailed studies on the mechanisms of PA inrepressing the accumulation of GRP78 will contribute to the understanding of molecular mechanisms of lipoapoptosis. (shrink)

Objective: Lung cancer is the most common cause of morbidity and mortality. Platinum-based chemotherapy, which is the primary line of treatment, offers limited benefit due to drug resistance and side effects. Berberine (BBR), which is characterised by its potent and safe anticancer activity, represents a promising combination option in chemotherapy. To overcome the limitations in lung cancer chemotherapy, we investigated whether BBR and cisplatin (CIS) exert synergistic effects on non-small cell lung cancer cell line (A549) based on cytotoxicity and apoptotic (...) response markers. -/- Methods: The potential cytotoxic effects of the combination treatment were evaluated using the MTT and Chou-Talalay methods. Elisa assays were also performed to measure the levels of the pro-apoptotic protein Bax and the effector protein caspase (Cas)-3. -/- Results: The results showed that BBR alone reduced A549 cell viability in a dose-dependent manner and synergized with CIS (CI =0.34±0.05 at IC50 concentrations). Elisa results showed that the combined treatment (both at IC50 concentrations) modulated apoptotic signalling pathways in A549 cells. Bax and Cas3 protein levels were dramatically enhanced in A549 cells treated with CIS +BBR compared to control (0.5% DMSO) (p < 0.001). -/- Conclusion: Our results suggest that BBR can synergistically enhance the therapeutic effect of CIS in A549 cells. The potential therapeutic efficacy of BBR as part of a combination in current chemotherapy should be supported by in-depth research and clinical studies on the molecular mechanisms associated with cancer. (shrink)

On September 3, 2022, Retraction Watch reported that four articles published in the Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) had been retracted on the same day (02 September 2022). More notable is that all four articles were co-authored by a preeminent researcher on the molecular mechanisms of oxygen regulation – Gregg Semenza. Semenza shared The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2019 with William Kaelin and Peter Ratcliffe for “their discoveries of how cells sense and adapt to (...) oxygen availability.”. (shrink)

The Morris water maze has been put forward in the philosophy of neuroscience as an example of an experimental arrangement that may be used to delineate the cognitive faculty of spatial memory (e.g., Craver and Darden, Theory and method in the neurosciences, University of Pittsburgh Press, Pittsburgh, 2001; Craver, Explaining the brain: Mechanisms and the mosaic unity of neuroscience, Oxford University Press, Oxford, 2007). However, in the experimental and review literature on the water maze throughout the history of its use, (...) we encounter numerous responses to the question of “what” phenomenon it circumscribes ranging from cognitive functions (e.g., “spatial learning”, “spatial navigation”), to representational changes (e.g., “cognitive map formation”) to terms that appear to refer exclusively to observable changes in behavior (e.g., “water maze performance”). To date philosophical analyses of the water maze have not been directed at sorting out what phenomenon the device delineates nor the sources of the different answers to the question of what. I undertake both of these tasks in this paper. I begin with an analysis of Morris’s first published research study using the water maze and demonstrate that he emerged from it with an experimental learning paradigm that at best circumscribed a discrete set of observable changes in behavior. However, it delineated neither a discrete set of representational changes nor a discrete cognitive function. I cite this in combination with a reductionist-oriented research agenda in cellular and molecular neurobiology dating back to the 1980s as two sources of the lack of consistency across the history of the experimental and review literature as to what is under study in the water maze. (shrink)

Ever since the advent of molecular biology in the 1970s, mechanical models have become the dogma in the field, where a "true" understanding of any subject is equated to a mechanistic description. This has been to the detriment of the biomedical sciences, where, barring some exceptions, notable new feats of understanding have arguably not been achieved in normal and disease biology, including neurodegenerative disease and cancer pathobiology. I argue for a "mechanism-plus-X" paradigm, where mainstay elements of mechanistic models such (...) as hierarchy and correlation are combined with nomological principles such as general operative rules and generative principles. Depending on the question at hand and the nature of the inquiry, X could range from proven physical laws to speculative biological generalizations, such as the notional principle of cellular synchrony. I argue that the "mechanism-plus-X" approach should ultimately aim to move biological inquiries out of the deadlock of oft-encountered mechanistic pitfalls and reposition biology to its former capacity of illuminating fundamental truths about the world. (shrink)

I examine different arguments that could be used to establish indeterminism of neurological processes. Even though scenarios where single events at the molecular level make the difference in the outcome of such processes are realistic, this falls short of establishing indeterminism, because it is not clear that these molecular events are subject to quantum mechanical uncertainty. Furthermore, attempts to argue for indeterminism autonomously (i.e., independently of quantum mechanics) fail, because both deterministic and indeterministic models can account for (...) the empirically observed behavior of ion channels. (shrink)

Intra-molecular connectivity (that is, chemical structure) does not emerge from computations based on fundamental quantum-mechanical principles. In order to compute molecular electronic energies (of C 3 H 4 hydrocarbons, for instance) quantum chemists must insert intra-molecular connectivity “by hand.” Some take this as an indication that chemistry cannot be reduced to physics: others consider it as evidence that quantum chemistry needs new logical foundations. Such discussions are generally synchronic rather than diachronic —that is, they neglect ‘historical’ aspects. (...) However, systems of interest to chemists generally are metastable . In many cases chemical systems of a given elemental composition may exist in any one of several different metastable states depending on the history of the system. Molecular structure generally depends on contingent historical circumstances of synthesis and separation, rather than solely or mainly on relative energies of alternative stable states, those energies in turn determined by relationships among components. Chemical structure is usually ‘kinetically-determined’ rather than ‘thermodynamically-determined.’ For instance, cyclical hydrocarbon ring-systems (as in cyclopropene) are produced only in special circumstances. Adequate theoretical treatments must take account of the persistent effects of such contingent historical events whenever they are relevant—as they generally are in chemistry. (shrink)

Creationists who object to evolution in the science curriculum of public schools often cite Jonathan Well’s book Icons of Evolution in their support (Wells 2000). In the third chapter of his book Wells claims that neither paleontological nor molecular evidence supports the thesis that the history of life is an evolutionary process of descent from preexisting ancestors. We argue that Wells inappropriately relies upon ambiguities inherent in the term ‘Darwinian’ and the phrase ‘Darwin’s theory’. Furthermore, he does not accurately (...) distinguish between the overwhelming evidence that supports the thesis of common descent and controversies that pertain to causal mechanisms such as natural selection. We also argue that Wells’ attempts to undermine the evidence in support of common descent are flawed and his characterization of the relevant data is misleading. In particular, his assessment of the ‘Cambrian explosion’ does not do justice to the fossil record. Nor do his selective references to debate about molecular and paleontological phylogenies constitute a case against common descent. We conclude that the fossil and molecular evidence is more than sufficient to warrant science educators to present common descent as a well-established scientific fact. We also argue that diagrams depicting the ‘tree of life’ can be pedagogically useful as simplified representations of the history of life. (shrink)

Precision medicine and molecular systems medicine (MSM) are highly utilized and successful approaches to improve understanding, diagnosis, and treatment of many diseases from bench-to-bedside. Especially in the COVID-19 pandemic, molecular techniques and biotechnological innovation have proven to be of utmost importance for rapid developments in disease diagnostics and treatment, including DNA and RNA sequencing technology, treatment with drugs and natural products and vaccine development. The COVID-19 crisis, however, has also demonstrated the need for systemic thinking and transdisciplinarity and (...) the limits of MSM: the neglect of the bio-psycho-social systemic nature of humans and their context as the object of individual therapeutic and population-oriented interventions. COVID-19 illustrates how a medical problem requires a transdisciplinary approach in epidemiology, pathology, internal medicine, public health, environmental medicine, and socio-economic modeling. Regarding the need for conceptual integration of these different kinds of knowledge we suggest the application of general system theory (GST). This approach endorses an organism-centered view on health and disease, which according to Ludwig von Bertalanffy who was the founder of GST, we call Organismal Systems Medicine (OSM). We argue that systems science offers wider applications in the field of pathology and can contribute to an integrative systems medicine by (i) integration of evidence across functional and structural differentially scaled subsystems, (ii) conceptualization of complex multilevel systems, and (iii) suggesting mechanisms and non-linear relationships underlying the observed phenomena. We underline these points with a proposal on multi-level systems pathology including neurophysiology, endocrinology, immune system, genetics, and general metabolism. An integration of these areas is necessary to understand excess mortality rates and polypharmacological treatments. In the pandemic era this multi-level systems pathology is most important to assess potential vaccines, their effectiveness, short-, and long-time adverse effects. We further argue that these conceptual frameworks are not only valid in the COVID-19 era but also important to be integrated in a medicinal curriculum. (shrink)

While many different mechanisms contribute to the generation of spatial order in biological development, the formation of morphogenetic fields which in turn direct cell responses giving rise to pattern and form are of major importance and essential for embryogenesis and regeneration. Most likely the fields represent concentration patterns of substances produced by molecular kinetics. Short range autocatalytic activation in conjunction with longer range “lateral” inhibition or depletion effects is capable of generating such patterns (Gierer and Meinhardt, 1972). Non-linear reactions (...) are required, and mathematical criteria were derived to design molecular models capable of pattern generation. The classical embryological feature of proportion regulation can be incorporated into the models. The conditions are mathematically necessary for the simplest two-factor case, and are likely to be a fair approximation in multi-component systems in which activation and inhibition are systems parameters subsuming the action of several agents. Gradients, symmetric and periodic patterns, in one or two dimensions, stable or pulsing in time, can be generated on this basis. Our basic concept of autocatalysis in conjunction with lateral inhibition accounts for self-regulatory biological features, including the reproducible formation of structures from near-uniform initial conditions as required by the logic of the generation cycle. Real tissue form, for instance that of budding Hydra, may often be traced back to local curvature arising within an initially relatively flat cell sheet, the position of evagination being determined by morphogenetic fields. Shell theory developed for architecture may also be applied to such biological processes. (shrink)

Modern physics describes the mechanics of the Universe. We have discovered a new foundation for physics, which explains the components of the Universe with precision and depth. We quantify the existence of Aether, subatomic particles, and the force laws. Some aspects of the theory derive from the Standard Model, but much is unique. A key discovery from this new foundation is a mathematically correct Unified Force Theory. Other fundamental discoveries follow, including the origin of the fine structure constant and (...) subatomic particle g-factors, a slight correction of neutron magnetic moment, a geometrical structure for charge, the quantification of electromagnetic charge as separate from electrostatic charge, a more precise meaning of spin, the quantification of space-resonance in five dimensions, and a new system of quantum units. The Aether quantifies as a fabric of quantum rotating magnetic fields with electromagnetic, electrostatic, and gravitational dipole structures. Subatomic particles quantify as angular momentum encapsulated in a quantum, rotating magnetic field. All quantum, atomic, and molecular processes can be precisely modeled, leading to discrete physics with new understandings and insights. (shrink)

nanological gates, in order to design nano-scale computers with dual-scale capabilities. All living biological systems function due to the molecular interactions of different subsystems. Molecular components (proteins and nucleic acids, lipids and carbohydrates, DNA and RNA) can be used as an inspirational strategy on how to design high-performance NEMS and MEMS that have the required features and characteristics. Considered. In addition, analytical and numerical methods are available for dynamic analysis and three-dimensional geometry, bonding and other properties of atoms (...) and molecules. Thus, electromagnetic and mechanical, and other physical and chemical properties can be studied. Nanostructures and nanosystems can be widely used in medicine and health. Possible applications of nanotechnology include: drug synthesis and drug delivery (therapeutic potential is greatly increased due to the effective direct delivery of new types of drugs to specific sites in the body), nanosurgery and nanotherapy Synthesis and detection of genomes, nano-scale stimuli and sensors (diagnosis and prevention of disease), design and implantation of non-rejection artificial organs and design of high performance nanomaterials. It is important that these technologies change the manufacture of materials, devices and systems. (shrink)

In current philosophical discussions on evidence in the medical sciences, epidemiology has been used to exemplify a specific version of evidential pluralism. According to this view, known as the Russo–Williamson Thesis, evidence of both difference-making and mechanisms is produced to make causal claims in the health sciences. In this paper, I present an analysis of data and evidence in epidemiological practice, with a special focus on research on the exposome, and I cast doubt on the extent to which evidential pluralism (...) holds in this case. I start by focusing on the claim that molecular data allows for the production of mechanistic evidence. On the basis of a close look at the ways in which molecular data is used in exposome research, I caution against interpretations in terms of mechanistic evidence. Secondly, I expand my critical remarks on the thesis by addressing the conditions under which data is categorised as evidence in exposome research. I argue that these show that the classification of a dataset as a type of evidence is dependent on the ways in which the data is used. This is in contrast with the approach of evidential pluralism, where evidence is classified in different types on the basis of its intrinsic properties. Finally, I come back to what I consider the core of the thesis and suggest that the epidemiological research analysed in the paper indicates different interpretations of evidential pluralism and its applicability in the health sciences. (shrink)

There are two fundamentally distinct kinds of biological theorizing. "Formal biology" focuses on the relations, captured in formal laws, among mathematically abstracted properties of abstract objects. Population genetics and theoretical mathematical ecology, which are cases of formal biology, thus share methods and goals with theoretical physics. "Compositional biology," on the other hand, is concerned with articulating the concrete structure, mechanisms, and function, through developmental and evolutionary time, of material parts and wholes. Molecular genetics, biochemistry, developmental biology, and physiology, which (...) are examples of compositional biology, are in serious need of philosophical attention. For example, the very concept of a "part" is understudied in both philosophy of biology and philosophy of science. ;My dissertation is an attempt to clarify the distinction between formal biology and compositional biology and, in so doing, provide a clear philosophical analysis, with case studies, of compositional biology. Given the social, economic, and medical importance of compositional biology, understanding it is urgent. For my investigation, I draw on the philosophical fields of metaphysics and epistemology, as well as philosophy of biology and philosophy of science. I suggest new ways of thinking about some classic philosophy of science issues, such as modeling, laws of nature, abstraction, explanation, and confirmation. I hint at the relevance of my study of two kinds of biological theorizing to debates concerning the disunity of science. (shrink)

Are living organisms--as Descartes argued--just machines? Or is the nature of life such that it can never be fully explained by mechanistic models? In this thought-provoking and controversial book, eminent geophysicist Walter M. Elsasser argues that the behavior of living organisms cannot be reduced to physico-chemical causality. Suggesting that molecular biology today is at the same point as Newtonian physics on the eve of the quantum revolution, Elsasser lays the foundation for a theoretical biology that points the way toward (...) a natural philosophy of organic life. Explicitly repudiating "vitalism" (the notion that the laws of nature need to be modified when applied to living organisms), Elsasser argues instead that the structural complexity of even a single living cell is "transcomputational"--that is, beyond the power of any imaginable system to compute. Beginning from this insight, Elsasser leads the reader through a step-by-step process that ultimately arrives at the conclusion that living and non-living matter are separated by "a no-man's land of irrationality." Trained in Germany as a physicist, Elsasser first pondered the implications of quantum mechanics for biology as early as 1951. The more closely he studied the inherent complexity of life, the more skeptical he became of the reductionist view of organisms as tiny machines. "An organism," he concluded, "is a source of causal chains which cannot be traced beyond a terminal point because they are lost in the unfathomable complexity of the organism." Like the physicist who works within the bounds of an unfathomable universe, Elsasser argues, the biologist must seek answers within a system that is no less unfathomable. (shrink)

In some recent papers (G. ‘t Hooft and others), it has been argued that quantum mechanics can arise from classical cellular automata. Nonetheless, G. Shpenkov has proved that the classical wave equation makes it possible to derive a periodic table of elements, which is very close to Mendeleyev’s one, and describe also other phenomena related to the structure of molecules. Hence the classical wave equation complements Schrödinger’s equation, which implies the appearance of a cellular automaton molecular model starting (...) from classical wave equation. The other studies show that the microworld is constituted as a tessellation of primary topological balls. The tessellattice becomes the origin of a submicrospic mechanics in which a quantum system is subdivided to two subsystems: the particle and its inerton cloud, which appears due to the interaction of the moving particle with oncoming cells of the tessellattice. The particle and its inerton cloud periodically change the momentum and hence move like a wave. The new approach allows us to correlate the Klein-Gordon equation with the deformation coat that is formed in the tessellatice around the particle. The submicroscopic approach shows that the source of any type of wave movements including the Klein-Gordon, Schrödinger, and classical wave equations is hidden in the tessellattice and its basic exciations – inertons, carriers of mass and inert properies of matter. We also discuss possible correspondence with Konrad Zuse’s calculating space. (shrink)

We describe an approach to measuring biological information where ‘information’ is understood in the sense found in Francis Crick’s foundational contributions to molecular biology. Genes contain information in this sense, but so do epigenetic factors, as many biologists have recognized. The term ‘epigenetic’ is ambiguous, and we introduce a distinction between epigenetic and exogenetic inheritance to clarify one aspect of this ambiguity. These three heredity systems play complementary roles in supplying information for development. -/- We then consider the evolutionary (...) significance of the three inheritance systems. Whilst the genetic inheritance system was the key innovation in the evolution of heredity, in modern organisms the three systems each play important and complementary roles in heredity and evolution. -/- Our focus in the earlier part of the paper is on ‘proximate biology’, where information is a substantial causal factor that causes organisms to develop and causes offspring to resemble their parents. But much philosophical work has focused on information in ‘ultimate biology’. Ultimate information is a way of talking about the evolutionary design of the mechanisms of development and inheritance. We conclude by clarifying the relationship between the two. Ultimate information is not a causal factor that acts in development or heredity, but it can help to explain the evolution of proximate information, which is. (shrink)

Reduction and reductionism have been central philosophical topics in analytic philosophy of science for more than six decades. Together they encompass a diversity of issues from metaphysics and epistemology. This article provides an introduction to the topic that illuminates how contemporary epistemological discussions took their shape historically and limns the contours of concrete cases of reduction in specific natural sciences. The unity of science and the impulse to accomplish compositional reduction in accord with a layer-cake vision of the sciences, the (...) seminal contributions of Ernest Nagel on theory reduction and how they strongly conditioned subsequent philosophical discussions, and the detailed issues pertaining to different accounts of reduction that arise in both physical and biological science (e.g., limit-case and part-whole reduction in physics, the difference-making principle in genetics, and mechanisms in molecular biology) are explored. The conclusion argues that the epistemological heterogeneity and patchwork organization of the natural sciences encourages a pluralist stance about reduction. (shrink)

The entry of resonance into chemistry, or the reception of the theory of resonance in the chemical community, has drawn considerable attention from historians of science. In particular, they have noted Pauling's ¯amboyant yet effective style of exposition, which became a factor in the early popularity of the resonance theory in comparison to the molecular orbital theory, another way of applying quantum mechanics to chemical problems.$ To be sure, the non-mathematical presentation of the resonance theory by Pauling and (...) his collaborator, George Wheland, helped to facilitate the reception ; but this presentation was vulnerable to the confusion that arose among chemists owing to the similarity between resonance and tautomerism, or between foreign and indigenous concepts. The reception occurred at the expense of serious misunderstandings about resonance. This paper investigates the ways in which Pauling and Wheland taught, and taught about, the theory of resonance, especially their ways of coping with the difficulties of translating a quantum-mechanical concept into chemical language. Their different strategies for teaching resonance theory deserve a thorough examination, not only because the strategies had to do with their solutions of the philosophical question whether resonance is a real phenomenon or not, and whether the theory of resonance is a chemical theory or a mathematical method of approximation, but also because this examination will illuminate the role of chemical translators in the transmission of knowledge across disciplinary boundaries. (shrink)

The neo-Darwinian theory of genetic random mutation and Natural Selection, does nothing to explain speciation. Thus, what has been called "natural selection" has come under much scrutiny and critique in recent times. The problem is that natural selection requires the existence of a stable array of species from which selection can be made. So natural selection does not perform the speciation, only the selection after speciation has occurred. The activity of creating new species must therefore lie in the random mutations (...) of the genome. But this raises the problem that such mutations are generally always fatal to the organism, plus a whole host of other problems that modern advances in molecular biology have revealed about the detailed mechanisms occurring in DNA replication processes, including such things as intrinsic error correcting mechanisms during DNA transcription. Thus a theory of how species arise (speciation) does not currently exist in biology. The Vedantic/Bhagavat paradigm rejects the objectivist theory of evolution as not only wrong but an impediment to the actual scientific comprehension of Nature. The Vedantic conception of Life is a fully differentiated/determinate one that displays its variety in and as an dynamic organic whole. The crucial element of interdependence that is missing in modern theories of insular organism life is fully embraced in what we may call the Post-Darwinian, post-reductionist, post-modern conception of Life the Vedantic/Bhagavat conception offers. (shrink)

Ontologies are being developed throughout the biomedical sciences to address standardization, integration, classification and reasoning needs against the background of an increasingly data-driven research paradigm. In particular, ontologies facilitate the translation of basic research into benefits for the patient by making research results more discoverable and by facilitating knowledge transfer across disciplinary boundaries. Addressing and adequately treating mental illness is one of our most pressing public health challenges. Primary research across multiple disciplines such as psychology, psychiatry, biology, neuroscience and pharmacology (...) needs to be integrated in order to promote a more comprehensive understanding of underlying processes and mechanisms, and this need for integration only becomes more pressing with our increase in understanding of differences among individuals and populations at the molecular level concerning susceptibility to specific illnesses. Substance addiction is a particularly relevant public health challenge in the developed world, affecting a substantial percentage of the population, often co-morbid with other illnesses such as mood disorders. Currently, however, there is no straightforward automated method to combine data of relevance to the study of substance addiction across multiple disciplines and populations. In this contribution, we describe a framework of interlinked, interoperable bio-ontologies for the annotation of primary research data relating to substance addiction, and discuss how this framework enables easy integration of results across disciplinary boundaries. We describe entities and relationships relevant for the description of addiction within the Mental Functioning Ontology, Chemical Entities of Biological Interest Ontology, Protein Ontology, Gene Ontology and the Neuroscience Information Framework ontologies. (shrink)

The environment can elicit biological responses such as oxidative stress (OS) and inflammation as a consequence of chemical, physical, or psychological changes. As population studies are essential for establishing these environment-organism interactions, biomarkers of OS or inflammation are critical in formulating mechanistic hypotheses. By using examples of stress induced by various mechanisms, we focus on the biomarkers that have been used to assess OS and inflammation in these conditions. We discuss the difference between biomarkers that are the result of a (...) chemical reaction (such as lipid peroxides or oxidized proteins that are a result of the reaction of molecules with reactive oxygen species) and those that represent the biological response to stress, such as the transcription factor NRF2 or inflammation and inflammatory cytokines. The high-throughput and holistic approaches to biomarker discovery used extensively in large-scale molecular epidemiological exposome are also discussed in the context of human exposure to environmental stressors. We propose to consider the role of biomarkers as signs and to distinguish between signs that are just indicators of biological processes and proxies that one can interact with and modify the disease process. (shrink)

As Jaegwon Kim points out in his excellent new book, “reductionism” has become something of a pejorative term in philosophy and related disciplines. But originally (eg, as expressed in Ernest Nagel’s 1961 The Structure of Science) reduction was supposed to be a form of explanation, and one may wonder whether it is reasonable to reject in principle the advances in knowledge which such explanations may offer. Nagel’s own view, illustrated famously by the reduction of thermodynamics to statistical mechanics, was (...) that reduction is a relation between theories: theory A is reduced to theory B by formulating “bridge laws” which link the terminology of the theories, and using them to derive A from B. (An additional reductive claim is that Aphenomena are identical with certain B-phenomena—as when the temperature of a gas is identified with its mean molecular kinetic energy—but this kind of identity claim is, strictly speaking, independent of the claim about theories.) Applied to the case of mental states and brain states, a reduction would provide explanatory relations between psychology and neuroscience, normally supplemented with the claim that mental properties are identical with physical properties in the brain. (shrink)

The introductory personal remarks refer to my motivations for choosing research projects, and for moving from physics to molecular biology and then to development, with Hydra as a model system. Historically, Trembley’s discovery of Hydra regeneration in 1744 was the begin¬ning of developmental biology as we understand it, with passionate debates about preformation versus de novo generation, mechanisms versus organisms. In fact, seemingly conflicting bottom-up and top-down concepts are both required in combination to understand development. In modern terms, this (...) means analysing the molecules involved, as well as searching for physical principles underlying development within systems of molecules, cells and tissues. During the last decade, molecular biology has provided surprising and impressive evidence that the same types of mol¬ecules and molecular systems are involved in pattern formation in a wide range of organisms, including coelenterates like Hydra, and thus appear to have been “invented” early in evolution. Likewise, the features of certain systems, especially those of developmental regulation, are found in many different organisms. This includes the generation of spatial structures by the interplay of self-enhancing activation and “lateral” inhibitory effects of wider range, which is a main topic of my essay. Hydra regeneration is a particularly clear model for the formation of defined patterns within initially near-uniform tissues. In conclusion, this essay emphasizes the analysis of development in terms of physical laws, including the application of mathematics, and insists that Hydra was, and will continue to be, a rewarding model for understanding general features of embryogenesis and regeneration. -/- -/- . (shrink)

Commensal and pathogenic organisms employ camouflage and mimicry to mediate mutualistic interactions and predator escape. However, the immune mechanisms accounting for the establishment and maintenance of symbiotic bacterial populations are poorly understood. A promising hypothesis suggests that molecular mimicry, a condition in which different organisms share common antigens, is a mechanism of establishing tolerance between commensals and their hosts. On this view, certain bacteria may mimic the structural features of some of their host’s T-cell receptors (TCRs), namely those that (...) survive thymic selection due to their lack of complementarity to self-antigens. With such “holoimmunity” the mimicking micro-organisms avoid immune recognition as the copied TCRs become mirror images of an extended super-organismal self, consisting of symbiotic and host antigens. Accordingly, analysis of genomic and metagenomic data suggests a tripartite mimicry between TCRs, self-antigens, and commensal antigens that would serve as the basis for immune tolerance between these populations. And conversely, in an autoimmune scenario, both symbiotic microbes and the mimicked host tissue would be targeted for immune destruction. (shrink)

Evolution's Arrow argues that evolution is directional and progressive, and that this has major consequences for humanity. Without resort to teleology, the book demonstrates that evolution moves in the direction of producing cooperative organisations of greater scale and evolvability - evolution has organised molecular processes into cells, cells into organisms, and organisms into societies. The book founds this position on a new theory of the evolution of cooperation. It shows that self-interest at the level of the genes does not (...) prevent cooperation from increasing as evolution unfolds. Evolution progresses by discovering ways to build cooperative organisations out of self-interested individuals. The book also shows that evolution itself has evolved. Evolution has progressively improved the ability of evolutionary mechanisms to discover effective adaptations. And it has produced new and better mechanisms. Evolution's Arrow uses this understanding of the direction of evolution to identify the next great steps in the evolution of life on earth - the steps that humanity must take if we are to continue to be successful in evolutionary terms. A key step for humanity is to increase the scale and evolvability of our societies, eventually forming a unified and cooperative society on the scale of the planet. We must also transform ourselves psychologically to become self-evolving organisms - organisms that are able to escape their biological and cultural past by adapting in whatever directions are necessary to achieve future evolutionary success. (shrink)

Phenotypic integration refers to the study of complex patterns of covariation among functionally related traits in a given organism. It has been investigated throughout the 20th century, but has only recently risen to the forefront of evolutionary ecological research. In this essay, I identify the reasons for this late flourishing of studies on integration, and discuss some of the major areas of current endeavour: the interplay of adaptation and constraints, the genetic and molecular bases of integration, the role of (...) phenotypic plasticity, macroevolutionary studies of integration, and statistical and conceptual issues in the study of the evolution of complex phenotypes. I then conclude with a brief discussion of what I see as the major future directions of research on phenotypic integration and how they relate to our more general quest for the understanding of phenotypic evolution within the neo-Darwinian framework. I suggest that studying integration provides a particularly stimulating and truly interdisciplinary convergence of researchers from fields as disparate as molecular genetics, developmental biology, evolutionary ecology, palaeontology and even philosophy of science. (shrink)

Morphological Computation is based on the observation that biological systems seem to carry out relevant computations with their morphology (physical body) in order to successfully interact with their environments. This can be observed in a whole range of systems and at many different scales. It has been studied in animals – e.g., while running, the functionality of coping with impact and slight unevenness in the ground is "delivered" by the shape of the legs and the damped elasticity of the muscle-tendon (...) system – and plants, but it has also been observed at the cellular and even at the molecular level – as seen, for example, in spontaneous self-assembly. The concept of morphological computation has served as an inspirational resource to build bio-inspired robots, design novel approaches for support systems in health care, implement computation with natural systems, but also in art and architecture. As a consequence, the field is highly interdisciplinary, which is also nicely reflected in the wide range of authors that are featured in this e-book. We have contributions from robotics, mechanical engineering, health, architecture, biology, philosophy, and others. (shrink)

DESENVOLVIMENTO EMBRIONÁRIO E DIFERENCIAÇÃO SEXUAL -/- E. I. C. da Silva Departamento de Agropecuária – IFPE Campus Belo Jardim Departamento de Zootecnia – UFRPE sede -/- 1.1 INTRODUÇÃO O sexo foi definido como a soma das diferenças morfológicas, fisiológicas e psicológicas que distinguem o macho da fêmea permitindo a reprodução sexual e assegurando a continuidade das espécies. Os processos de diferenciação sexual são realizados durante o desenvolvimento embrionário, onde ocorre a proliferação, diferenciação e maturação das células germinativas e primordiais, precursoras (...) de ovócitos e espermatozoides em fêmeas e machos, respectivamente. Assim, os embriões machos e fêmeas iniciam o seu desenvolvimento de forma semelhante, de modo que em ambos os sexos se estabelecem em estruturas idênticas a partir das quais se formarão os órgãos reprodutores correspondentes a cada sexo. O conhecimento da origem e do desenvolvimento do aparelho genital é indispensável para entender sua função e as alterações que produzem infertilidade ou esterilidade. 1.2 DETERMINAÇÃO DO SEXO CROMOSSÔMICO Nos mamíferos, o sexo cromossômico é determinado no momento da fertilização, quando um óvulo, que contém um cromossomo X, é fecundado por um espermatozoide portador de um cromossomo X ou um cromossomo Y. No primeiro caso, o complemento cromossômico seria XX, o que originaria uma fêmea (sexo homogamético), e no segundo daria como resultado um macho com a fórmula cromossômica XY (sexo heterogâmico). 1.3 A GÔNADA INDIFERENCIADA A primeira manifestação das gônadas se aprecia no embrião em forma de um par de eminências longitudinais chamadas cristas ou dobras gonodais, situadas em ambos os lados da linha média entre os mesonefros (rins em desenvolvimento) e do mesentério dorsal. Nos embriões dos mamíferos, as células germinativas primordiais (CGP) manifestam-se em estágios precoces do desenvolvimento, podendo ser detectadas pela primeira vez na metade da gastrulação. As CGP são células grandes, de citoplasma claro e núcleo grande e redondo, localizadas na parede do saco vitelino, perto do alantoide. Essas células possuem grande capacidade de proliferação e vão migrar desde o endoderma do intestino e o epitélio do saco vitelino, através do mesentério, até as cristas gonodais. Isso ocorre por volta do 26° dia da gestação no bovino. Sua migração realiza-se graças aos movimentos de translocação passiva e deslocamento ameboide ativo. Desconhece-se o mecanismo pelo qual estas células são dirigidas para as cristas gonodais, porém foram estudadas algumas moléculas que se expressam durante sua migração e que poderiam desempenhar um papel importante na diferenciação deste tipo celular. A fosfatase alcalina é uma enzima que tem sido usada como marcador de CGP para determinar a sua origem e migração. Num estudo recente, foi inserido um marcador fluorescente que se exprime unicamente nas células germinativas primordiais de embriões transgênicos, e utilizando este marcador e a fosfatase alcalina determinou-se a origem e o padrão de migração destas células. O primeiro sinal de diferenciação das células germinativas primordiais é a expressão de fosfatase alcalina, e esta apareceu pela primeira vez na parte mais posterior da linha primitiva. No sétimo dia de desenvolvimento no embrião do camundongo, o endoderma visceral (AF+) é substituído pelo endoderma definitivo (AF-) originado na parte anterior da linha primitiva. O fator de transcrição Oct-4 é expresso nas CGP de ambos os sexos, pelo que acredita-se estar envolvido na mantença a totipotêncialidade das células. O receptor tirosina quinase, cujo ligante é o fator de Steel, é outra das moléculas que expressam as CGP. Tem sido demonstrado que este receptor possui um papel muito importante na sobrevivência deste tipo celular. Existem outros fatores que promovem a sobrevivência e/ou proliferação de CGP in vitro. Em experiências realizadas com o fator de transformação beta I (TGFβ-I), observou-se que este tem um efeito negativo sobre a proliferação das CGP. Outra atividade que tem sido postulada a este fator é o de um agente quimioatraente que possivelmente possa direcionar a migração destas células para a gônada. a) Um formado pelas células germinativas primordiais (precursoras dos gametas masculinos ou femininos), rodeadas de células somáticas das quais posteriormente se derivarão as células de Sertoli no macho e as células da granulosa na fêmea. b) O tecido que formará o estroma da gônada: tecido conjuntivo, vasos sanguíneos e as células intersticiais com atividade esteroidogênica (células de Leydig no testículo e a teca interna do ovário). As células somáticas do primórdio gonodal originam-se do mesoderma. Inicialmente são de três tipos: mesenquimáticas, mesoteliais e endoteliais. As células mesenquimáticas e mesoteliais iniciam grande atividade proliferativa ao chegar as CGP. Observa-se então uma condensação de células de origem mesotelial e mesenquimatoso que forma um agregado compacto denominado "blastema gonodal". A partir deste primórdio embrionário, diferenciam-se dois tecidos gonodais: os cordões sexuais e o estroma. Os cordões sexuais são arranjos epiteliais que se encontram delimitados por uma folha basal, e dentro deles encontramos as CGP. Por sua vez, no estroma encontram-se células do tipo mesenquimático e vasos sanguíneos. Neste momento, as gônadas são indiferenciadas e bipotencialmente sexuais, sendo impossível diferenciar, morfologicamente, uma gônada masculina de uma feminina, mas no caso dos machos genéticos já existe uma diferenciação da gônada a nível molecular. Nesta fase já se encontram presentes as estruturas das quais se desenvolvem os dutos mesonéfricos ou de Wolff precursores do aparelho genital masculino e os dutos paramesonéfricos ou de Müller que darão origem ao aparelho reprodutor feminino. Há uma série de fatores envolvidos no desenvolvimento precoce da gônada, entre os quais o fator esteroidogênico I (SFI: Steroidogenic fator l), que é um membro da subfamília de receptores nucleares, receptores órfãos. Este fator de transcrição tem um local de ligação ao DNA composto por dois dedos-de-Zinc. O SFI foi identificado como um ativador de genes envolvidos na biossíntese de esteroides em diferentes células. O SFI está presente durante o desenvolvimento embrionário em regiões associadas com funções endócrinas como gônadas, adrenais, pituitárias e hipotálamos. Os animais homozigotos para o gene SFI defeituoso, necessitam de gônadas e adrenais e têm a função gonadotrófica alterada. Os ratos sem SFI carecem de gonadotrofos e têm um desenvolvimento anormal do núcleo ventro-medial do hipotálamo; em particular as gônadas deixam de se desenvolver entre os dias 11 a 15 e degeneram-se por apoptose. No entanto, a crista genital forma-se e é colonizada pelas células germinativas, o que indica que estas continuam a receber o sinal adequado para a sua migração. Portanto, o SFI não está envolvido no desenvolvimento precoce da gônada e do sistema urogenital, mas parece estar envolvido na manutenção do crescimento das células somáticas presentes na gônada indiferenciada. O gene associado ao tumor de Wilms (WTI: Wilm's tumor Associated) está envolvido no desenvolvimento da gônada e do rim. Durante o desenvolvimento embrionário, WTI se expressa em todo o mesoderma intermediário e posteriormente na gônada indiferenciada, bem como no rim em formação. WTI regula o sinal indutivo do mesênquima para o epitélio celômico dos mesonefros. Se este for o caso, então WTI é responsável pelo crescimento da crista genital ao dirigir a entrada do epitélio celômico. Dado que estas células darão origem às células de Sertoli, a carência de WTI pode causar o desenvolvimento de embriões XY como fêmeas simplesmente porque não se formam as células de Sertoli. Em geral, todos os genes importantes na diferenciação do mesoderma intermediário e do sistema urogenital intervêm no desenvolvimento da gônada precoce. 1.4 DIFERENCIAÇÃO GONODAL O desenvolvimento das gônadas e ductos genitais descritos até o momento, é o mesmo para ambos os sexos. Igualmente, os genes descritos, que estão envolvidos no desenvolvimento das gônadas, ductos genitais e migração das células germinativas, afetam igualmente os embriões com genótipo XX ou XY. A gônada primitiva consiste anatomicamente de uma medula (interna) e uma crosta (externa), e de acordo com o local onde ocorre a colonização das células germinativas, diferenciara em testículo ou um ovário, respectivamente. Nos mamíferos, a primeira manifestação estrutural de diferenciação sexual é detectada na gônada dos machos, onde as células germinativas estão localizadas na medula. A diferenciação do testículo inicia-se quando os cordões sexuais se separam do epitélio celômico como consequência dos arranjos produzidos por uma invasão do mesênquima e vasos sanguíneos que provoca a compactação dos cordões, agora denominados cordões testiculares. As células que rodeiam os cordões se achatam e formam as células mioides, que são responsáveis pela formação das membranas basais. As células do epitélio interno, ou seja, as células de Sertoli, têm duas funções principais: o suporte das CGP e a síntese da hormona antimulleriana, responsável pela regressão dos ductos de Müller e secretada durante o período de diferenciação sexual. As células do estroma que rodeiam os cordões testiculares diferenciam-se para formar vários tipos de células: células mioides, fibroblastos, endotélio e células de Leydig, que são as mais importantes pela sua atividade endócrina. Posteriormente, os cordões testiculares dão origem aos túbulos seminíferos, que contêm o epitélio que produzirá os espermatozoides ao chegar à puberdade. Na fêmea, durante os estágios iniciais de diferenciação gonodal, não se observam mudanças em relação à gônada indiferenciada, só pode-se observar um certo crescimento devido à proliferação de células somáticas e germinativas. As células germinativas iniciam um período de proliferação, que termina com o início da meiose. Iniciada a meiose, dá-se o processo de foliculogênese; neste momento os cordões epiteliais se fragmentam, de tal maneira que cada ovócito fica rodeado de células epiteliais cobertas por uma folha basal fina (figura 1). Para que a gônada primitiva se desenvolva em testículo é indispensável a presença do cromossoma Y, independentemente do número de cromossomas X que contenha o genoma de um indivíduo. O gene determinante do testículo encontra-se localizado no cromossoma Y, denominado sry em ratos e SRY em humanos. O gene sry se expressa durante o desenvolvimento embrionário na crista genital de embriões de camundongos. A expressão é detectável no dia 10,5, pouco depois do aparecimento das cristas genitais, atinge o seu máximo durante o dia 11,5 e mantém-se até pouco depois de ocorrerem os primeiros sinais morfológicos de diferenciação testicular no dia 12,5. Este padrão de expressão é compatível com a teoria de que sry atua induzindo a ativação dos genes (figura 2) que conduzem ao desenvolvimento testicular, sem que exista a necessidade da expressão contínua de sry para manter a diferenciação do testículo após o dia 12,5. Como mencionado anteriormente, a gônada primitiva é composta por vários tipos de células. No entanto, as células germinativas primordiais não são o local de expressão do sry, já que os embriões que necessitam de células germinativas mantêm a expressão de sry e desenvolvem o sexo gonodal normalmente. As células somáticas na gônada em desenvolvimento incluem também as células de suporte. Sabe-se que é nestas células que o sry é expresso para que se diferenciem em células de Sertoli, e a expressão transitória de sry indica que deve ativar a outros genes para a manutenção das células de Sertoli. Uma vez diferenciadas as células de Sertoli, elas se encarregarão da diferenciação do resto das células na gônada. -/- Figura 1: Representação da diferenciação dos órgãos genitais internos. Adaptado de BRONSON, 1989. Figura 2: Cascada de genes envolvidos na diferenciação sexual, adaptado de KOOPMAN, 1999. O fator sry é necessário para a diferenciação do testículo. Embora não se conheçam os genes que provavelmente regulam esse gene, estudos realizados em camundongos demonstram que este gene parece coordenar-se com certos genes autossômicos. Entre estes genes autossômicos, o sox9, que é produzido pelas células de Sertoli uma vez que são estimuladas por sry, de modo que sox9 é um dos genes relacionados estruturalmente com sry. O Sox9 funciona como um fator de transcrição, mas não se sabe se a proteína tem qualquer outra função estrutural; este gene exprime-se abundantemente nos condrócitos e está relacionado com defeitos do aparelho ósseo chamados displasia campomélica. Curiosamente, os pacientes XY com esta condição sofrem frequentemente de reversão do sexo. O Sox9 é um dos poucos genes, além do SRY, do qual as mutações demonstraram interferir com a determinação sexual masculina. No entanto, apenas 75% dos pacientes com anomalias esqueléticas de tipo displasia campomélica têm reversão sexual e não foram encontrados casos de reversão sexual devido a um defeito de Sox9 que não seja acompanhado de defeitos esqueléticos. Isso indica que o Sox9 é apenas um membro da rede de genes que são ativados para determinar a diferenciação sexual, enquanto a rota que rege a condrogênese é mais sensível a perturbações deste. O momento em que se detecta a expressão do gene Sox9 (11dpc em ratos) coincide com a máxima expressão de sry, o que poderia indicar a possibilidade de que sry regule positivamente a Sox9. De fato, na região do promotor de Sox9 há um local de união ao que potencialmente se pode unir o sry. A expressão de Sox9 durante a diferenciação sexual sugere um papel abaixo de sry na diferenciação das células de Sertoli. O cromossoma X também é importante na diferenciação gonodal. O gene DAX-I foi isolado do lócus DSS (Dosage sensitive sex reversal) do cromossoma X. DAX-I é parte da cascata de determinação sexual, mas não é necessário para a formação do testículo. DAX-I é um membro dos receptores nucleares conhecidos como receptores órfãos. Este gene demonstrou ser um poderoso repressor da transcrição de SFI e de vários genes. Os padrões de expressão de DAX-I são complementares daqueles de SFI, ambos expressos nas cristas genitais. Em resumo, dada a evidência exposta, desenvolveu-se a hipótese de que DAX-I é um antagonista de sry; esse antagonismo é dependente dos níveis relativos de DAX-I e sry e de um limiar que varia de espécie para espécie. A DAX-I foi classificada como o gene antitestículo. Na fêmea (cariótipo XX) é importante que ocorra a inativação de um dos cromossomas sexuais X para que se mantenha o equilíbrio genético ao igualar o conteúdo de DNA dos cromossomas. Esse cromossoma inativado constitui o chamado corpúsculo de Barr. No entanto, para que a meiose se realize, é necessário dos dois cromossomas X ativos nos ovócitos para assegurar a diferenciação ovárica e a fertilidade. 1.5 DIFERENCIAÇÃO DOS DUCTOS SEXUAIS O embrião possui, além das gônadas indiferenciadas, dois sistemas de ductos: os de potencialidade masculina denominam-se ductos de Wolff ou mesonéfricos, e os de potencialidade feminina se chamam ductos de Müller ou paramesonéfricos (figura 1). Se a diferenciação gonodal levou à formação de um testículo, a partir do ducto mesonéfrico ou de Wolff se desenvolverão os ductos eferentes, o epidídimo, os ductos deferentes e as vesículas seminais. As hormonas importantes no desenvolvimento do aparelho genital masculino são a testosterona, produzida pelas células de Leydig, e sua forma 5α reduzida, a 5α di-hidrotestosterona. Acredita-se que a testosterona é responsável pela virilização dos ductos de Wolff, e a di-hidrotestosterona dos órgãos genitais externos. No macho, os canais de Müller atrofiam-se devido à ação de uma hormona fetal de origem testicular denominada hormona inibidora das estruturas de Müller (HIM) ou hormona antimulleriana. Este processo começa assim que os cordões espermáticos se formam e se diferenciam as células de Sertoli. A existência de HIM foi proposta baseada em estudos realizados em bezerras freemartin, devido à existência de uma hormona responsável pela atresia dos ductos de Müller que na fêmea dá origem ao útero e aos ovidutos. Essa hormona provoca a involução do aparelho genital do bovino nas gestações gemelares nas quais os produtos de diferente sexo têm comunicação sanguínea por ter ocorrido a anastomose dos vasos de ambas as placentas (figura 3). A HIM é uma glicoproteína pertencente à subfamília de TGFβ, é expressa pelas células que darão origem às células de Sertoli e é um dos primeiros marcadores de diferenciação nestas células. A HIM é secretada na vida adulta pelas células de Sertoli no testículo e por células da granulosa no ovário. No rato a HIM é expressa-se no 12° dia em um teste padrão que segue muito de perto o aumento na expressão de sry. No macho, esta secreção de HIM continua durante a vida fetal e adulta, contudo os níveis de HIM declinam na puberdade devido a um aumento na secreção de testosterona. Vários fatores intervêm na regulação do gene de HIM, incluindo os acima descritos SFI e Sox9. O gene HIM contém segmentos de DNA que são conservados em várias espécies de vertebrados. Existe um nexo de ligação para SFI, que ativa a transcrição de HIM. A mutação no local de ligação de SFI resulta em reversão do sexo em indivíduos XY incluindo genitais femininos normais, presença de um útero formado enfatizando a importância de SFI na determinação sexual e na expressão de HIM. Embora SFI seja um bom candidato como regulador de HIM, é expresso em outras células, como as de Leydig e adrenais, que não expressam HIM. Em contrapartida, Sox9 é expresso unicamente nas células de Sertoli que são as produtoras de HIM. O gene HIM também tem um nexo de ligação para Sox9. Além disso, Sox9 pode atuar sinergicamente com SFI para promover a secreção de HIM. Ao contrário destes dois fatores de transcrição, DAX-I antagoniza a ação de Sox9 e provavelmente SFI sobre o promotor de HIM. Assim, para que as células de Sertoli secretem HIM, a transcrição de DAX-I deve diminuir. Figura 3: Representação da diferenciação dos órgãos genitais externos. Adaptado de BRONSON, 1989. Os ductos de Wolff tornam-se o sistema de ejaculação do macho. A porção mais próxima dos testículos dá origem ao epidídimo, a parte central ao ducto deferente e a porção mais distal às vesículas seminais. A próstata e a parte membranosa da uretra do macho desenvolvem-se a partir da porção pélvica do seio urogenital. A virilização e diferenciação dos ductos de Wolff dependem da produção de testosterona pelo testículo. Quanto aos órgãos genitais externos do macho, o tubérculo genital é ampliado e as dobras uretrais se fundem para formar a uretra peniana. A fusão das dobras uretrais aproxima os tubérculos genitais para formar o escroto (figura 4). Figura 4: Diferenciação do aparelho genital da fêmea e do macho. Adaptado de KOOPMAN, 1989. A diferenciação dos órgãos genitais da fêmea ocorre de forma passiva, já que a ausência de testículos e por isso da hormona inibidora dos ductos de Müller (HIM), assim como dos andrógenos virilizantes, favorece o desenvolvimento dos ductos de Müller, enquanto os de Wolff sofrem atrofia. A porção cefálica dos ductos de Müller dá origem aos ovidutos, que na sua terminação caudal se fundem com o útero. O contato dos ductos de Müller com o seio urogenital induz uma intensa proliferação celular que resulta na formação da área uterovaginal localizado entre o seio urogenital e os ductos de Müller. As células do prato uterovaginal proliferam e aumentam a distância entre as duas estruturas criando o espaço que formará a vagina quando o prato é canalizado e forma um lúmen. Em contraste com o que ocorre no macho, na fêmea a maior parte do seio urogenital se mantém exposta na superfície da abertura onde desembocam a vagina e a uretra. O tubérculo urogenital da fêmea tem um crescimento limitado e forma o clitóris. A sequência de passos da diferenciação sexual do aparelho genital é resumida na tabela 1. Tabela 1: Destino em desenvolvimento dos rudimentos sexuais dos fetos macho e fêmea dos mamíferos -/- Rudimento sexual Macho Fêmea Gônada Testículo Ovário Ductos de Müller (Paramesonéfricos) Vestígios Útero, parte da vagina, ovidutos Ductos de Wolff (Mesonéfricos) Ductos eferentes deferentes, epidídimo, vesículas seminais Vestígios Seio urogenital Uretra, próstata, glândulas bulbouretrais Parte da vagina, uretra, vestíbulo, glândulas vestibulares Tubérculo genital Pênis Clitóris Pregas vestibulares Escroto Lábios vulvares Fonte: HAFEZ, 2004. 1.6 DIFERENCIAÇÃO SEXUAL DO HIPOTÁLAMO Os processos de diferenciação sexual não se limitam apenas às células somáticas do organismo do feto, mas incluem também os centros nervosos superiores do cérebro. Assim, da mesma maneira que a gônada e os ductos sexuais se desenvolvem para o tipo feminino ou masculino, propôs-se que o cérebro pode ser "masculinizado" ou permanecer "Feminizado". A diferenciação do hipotálamo vai depender do ambiente esteroidal do neonato e ocorre na fase perinatal. Estes eventos serão de grande transcendência na vida reprodutiva do indivíduo. Tanto a fêmea como o macho nascem com a capacidade de secreção de gonadotropinas de acordo com um padrão cíclico; contudo, no macho, a exposição do hipotálamo à ação dos andrógenos testiculares durante os primeiros dias da vida extrauterina provoca a masculinização, com o qual o hipotálamo do macho é programado para que a secreção de gonadotropinas se realize a um ritmo relativamente constante por parte da hipófise (secreção tônica). Na fêmea, tanto a secreção tônica como a cíclica se conservam. No entanto, observou-se que a injeção de testosterona ou o transplante de testículo na rata fêmea durante os primeiros dias de vida, suprime a sua futura atividade estral (secreção cíclica). Por outro lado, se os ovários forem transplantados para o rato macho normal castrado na idade adulta, o animal não desenvolve qualquer atividade cíclica, mas se os machos transplantados forem castrados ao nascer, o ovário é capaz de efetuar mudanças cíclicas e ovulações. Isto foi demonstrado em roedores, mas não em animais domésticos ou na espécie humana. Portanto, o padrão de secreção de gonadotropinas, seja cíclico ou tônico, não depende da hipófise, mas do hipotálamo e sua correta diferenciação. 1.7 CONCLUSÕES A maioria dos conhecimentos no campo da biologia do desenvolvimento e, muito especificamente, dos processos de diferenciação sexual têm sido originados de estudos relacionados com desordens congênitas, que na sua maioria devem-se a defeitos de genes específicos. A análise detalhada destas desordens permitiu entender alguns mecanismos endócrinos, moleculares e genéticos envolvidos na diferenciação sexual. A identificação do gene sry como determinante do testículo foi uma contribuição crucial e abriu as portas à compreensão dos mecanismos moleculares e celulares relacionados com o desenvolvimento do testículo. Se este gene não estiver presente, é criado um programa genético alternativo para levar a cabo a diferenciação gonodal para o ovário. Finalmente, devemos ter presente que é necessária uma correlação entre mudanças morfológicas e expressão de genes durante o desenvolvimento para entender os mecanismos relacionados com a diferenciação. -/- Apoio -/- Realização -/- REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ANDERSON, Robert et al. The onset of germ cell migration in the mouse embryo. Mechanisms of development, v. 91, n. 1-2, p. 61-68, 2000. AUSTIN, Colin Russell; SHORT, R. V. Reproduction in Mammals: Volume 1, Germ Cells and Fertilization. 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TRANSPORTE DE GAMETAS, FERTILIZAÇÃO E SEGMENTAÇÃO -/- • _____OBJETIVO -/- O entendimento do desenvolvimento embrionário nos estágios iniciais, desde a deposição dos espermatozoides na fêmea, passando pela fertilização deste no ovócito e na formação do zigoto, é de suma importância para diferenciar especialistas em reprodução e manejo reprodutivo no mercado de trabalho e, também, durante a vida acadêmica. Compreender os processos que levam à formação do zigoto na fêmea é essencial para avaliar a capacidade reprodutiva dos animais e, mediante técnicas, (...) avaliar o trato reprodutivo da fêmea e o desenvolvimento do embrião até a formação do feto e, por fim, em um novo animal sadio na propriedade. Com esse trabalho, o estudante de veterinária ou zootecnia, que deseja se aprofundar na fisiologia da reprodução animal, identificará os mecanismos que são envolvidos no transporte dos gametas, bem como os processos que estes últimos devem completar para alcançar a fertilização e para desencadear as divisões iniciais do embrião. -/- • _____INTRODUÇÃO -/- A fertilização ou fecundação é o processo pelo qual os gametas masculino (espermatozoide) e feminino (ovócito) se fundem para gerar um novo indivíduo. Seu êxito depende da culminação adequada dos diferentes processos que devem sofrer os gametas durante sua maduração e percurso; do transporte oportuno destes no trato reprodutivo da fêmea, assim como de uma série de adaptações dos órgãos genitais internos da mãe. A segmentação refere-se às primeiras divisões celulares do embrião. -/- • _____TRANSPORTE DO OVÓCITO -/- O ovócito que é liberado na ovulação, e que se encontra coberto pelas células do cumulus (figura 1), é capturado pela fímbria do infundíbulo ao aderir aos cílios. Esse processo é altamente eficaz, inclusive em espécies onde os ovários possuem várias formações globosas, por exemplo nas porcas, onde os ovidutos capturam entre 95 e 100% dos ovócitos que são ovulados. As contrações das camadas musculares do oviduto e o movimento intenso dos cílios da mucosa faz com que as secreções fluam em direção ao útero, transportando assim o complexo cumulus-ovócito. Esse transporte é relativamente rápido até alcançar a junção da ampola com o istmo (que é considerado o local de fertilização do espermatozoide e ovócito) a partir do qual se torna lento. Devido a fêmea estar em estro, o processo está sob controle endócrino, isto é, controle hormonal através do estradiol. Nas fêmeas domésticas, ao contrário das mulheres, o transporte ao longo do oviduto é extremamente eficiente, pois os embriões passam para o útero sem dificuldade, de modo que gestações ectópicas (tubárias ou em cavidade) são quase inexistentes. A égua, frequentemente, retém por muito tempo os ovócitos não fertilizados no oviduto, provavelmente devido a não secreção de substâncias (como a prostaglandina E) que poderiam favorecer sua passagem, como se propõe que aconteça com os embriões. A figura 2 apresenta um ovócito com suas respectivas estruturas. Figura 1: ovócitos de uma vaca madurados in vitro. Nota-se as células do cumulus que os recobre. -/- Figura 2: estruturas do ovócito de uma ovelha que se encontra na etapa de ovócito secundário, depois da ovulação. Elaborado pelo autor. • _____TRANSPORTE ESPERMÁTICO -/- Para que os espermatozoides sejam capazes de fertilizar o ovócito, deverão sofrer uma série de mudanças bioquímicas e morfológicas ao longo de sua passagem pelo aparelho reprodutor tanto masculino como feminino. Uma vez produzidos na parede do túbulo seminífero, os espermatozoides são liberados em direção ao lúmen tubular e transportados passivamente para uma estrutura ramificada conhecida como rede testicular (rete testis). Dessa rede são conduzidos em direção ao epidídimo passando através de 10 a 20 ductos eferentes localizados no polo superior do testículo. O epidídimo é dividido em três seções denominadas cabeça, corpo e cauda; é constituído por um só ducto longo e tortuoso que continua com o canal deferente. Ao final desemboca nas ampolas seminais, no ducto ejaculatório e na uretra. As funções do epidídimo são as de maduração, transporte e armazenamento dos espermatozoides. O transporte através do epidídimo é lento, aproximadamente de 10 dias em touros, e segue sendo passivo. Os espermatozoides tomados da cabeça do epidídimo são ainda imaturos e incapazes de fertilizar, enquanto os armazenados na cauda são completamente maduros. Durante o trânsito pelo epidídimo os espermatozoides adquirem motilidade e o potencial para fertilizar, o acrossomo é remodelado e a gota citoplasmática migra para o flagelo e é liberada. Quando um macho ejacula com muita frequência, é possível observar espermatozoides com gota citoplasmática no sêmen, já que não há tempo suficiente para que completem sua maduração. Os espermatozoides são expulsados fora do organismo durante a cópula, na masturbação ou em emissões espontâneas. Na ejaculação, os espermatozoides que se encontram suspensos nos fluidos do testículo e do epidídimo, misturam-se ao chegar na uretra com as secreções das glândulas acessórias para formar o sêmen. Essas secreções denominadas plasma seminal, proporcionam substâncias para manter o metabolismo energético das células espermáticas, e integram suas membranas elementos que impedem uma capacitação prematura. Durante a cópula, o sêmen é depositado na vagina ou no útero, variando entre as espécies (tabela 1). Na monta natural, geralmente, o serviço ocorre no momento propício, já que está definido pela fase do ciclo estral em que a fêmea é receptiva ao macho. No entanto, na inseminação artificial, é o macho que deverá determinar o momento ideal, e para isso é importante considerar a vida média dos gametas, ao qual é muito curta no caso dos ovócitos (tabela 1). -/- Tabela 1: local de depósito do sêmen, volume da ejaculação e vida média dos gametas. Espécie Local de deposição Volume (ml) Velocidade de ejaculação Vida média do ovócito Vida média do espermatozoide Bovinos Intravaginal 2 1 – 3 seg 8 h 30 – 48 h Caninos Intravaginal 2 – 30 (10 média) 6 – 45 min 48 – 72 h 9 – 11 d Equinos Intrauterina 50 – 200 20 – 60 seg 6 – 8 h 72 – 120 h Humanos Intravaginal 3 - - 5 – 6 d Ovinos Intravaginal 1 1 – 2 seg 16 – 24 h 30 – 48 h Suínos Intrauterina 200 – 400 5 – 20 min 8 – 10 h 24 – 48 h Onde d = dias; h = horas. A vida fértil do ovócito é muito curta, portanto, o momento do serviço é de grande importância para obter altos índices de fertilização. -/- Independentemente do local em que os espermatozoides sejam depositados no aparelho reprodutor feminino, serão expostos às secreções genitais e sofrem uma série de mudanças em seu trajeto até o local de fertilização antes de penetrar no ovócito. Nas espécies em que o sêmen é depositado na parte cranial da vagina, uma parte do mesmo penetra através da cérvix, enquanto outra parte é eliminada do aparelho genital da fêmea, em pouco tempo, através do fluxo retrógrado. O meio vaginal não é adequado e imobiliza os espermatozoides em pouco tempo, pelo qual deverão entrar no útero onde o ambiente é mais propício. O transporte espermático na fêmea é o resultado da alta contratilidade, do movimento ciliar e o fluido do aparelho genital durante o estro, ao qual está sob controle endócrino e do sistema nervoso. Esse transporte é favorecido pelas características especiais do muco estral, cujas moléculas formam uma espécie de canais que facilitam a passagem dos espermatozoides. Pelo contrário, durante a fase lútea seu transporte é dificultado. Além do meio vaginal, a cérvix também atua como barreira natural para limitar a passagem dos espermatozoides, diminuindo assim a possibilidade de polispermia. Funciona, também, como um filtro que seleciona os espermatozoides aptos dos que não o são, uma vez que somente os primeiros possuem uma motilidade vigorosa que lhes permite passar pelo muco altamente hidratado. Na vaca a cérvix é considerada como um reservatório espermático. Quando atravessam a cérvix, os espermatozoides seguem sua deslocação tanto por movimento próprio como pelas contrações uterinas e tubárias. Nas espécies em que o local de depósito do sêmen do macho na fêmea é intrauterino, como equinos, a principal barreira que os espermatozoides enfrentam é a união ou junção útero-tubárica. A união entre o útero e o oviduto (istmo do oviduto) serve como reservatório funcional dos espermatozoides nas espécies domésticas. Poucos minutos depois da cópula, é possível encontrar alguns espermatozoides no oviduto, que é conhecido como fase de transporte rápido. No entanto, esses espermato-zoides não são os que participam do processo de fertilização e podem apresentar certas anormalidades. Existe um segundo tipo de transporte denominado fase sustentada, a qual consiste na migração prolongada dos espermatozoides em direção as partes mais craniais do aparelho genital feminino, que conduzem à colonização do reservatório funcional e na liberação gradual dos espermatozoides dos reservatórios espermáticos, incluindo este último. O reservatório do istmo fornece aos espermatozoides um ambiente propício, protegendo-os contra a fagocitose, prolongando assim a sua viabilidade. Aqui os esper-matozoides permanecem aderidos a superfície das células ciliadas do epitélio até a finalização de sua capacitação, depois da qual são liberados quando alteram seu padrão de motilidade flagelada, fenômeno conhecido como hipermotilidade, e migram em ondas em direção ao local da fertilização. Dos milhões de espermatozoides ejaculados, somente alguns milhares alcançarão o istmo do oviduto e um número sumamente pequeno será encontrado nas imediações do ovócito no momento da fertilização. -/- • _____CAPACITAÇÃO ESPERMÁTICA E REAÇÃO ACROSSÔMICA -/- A capacitação é um processo gradual e essencial para a fertilização. Os espermato-zoides devem passar por um dado tempo de “incubação” no aparelho genital da fêmea e sofrer uma série de mudanças antes de serem capazes de fecundar o ovócito. A capacita-ção dos espermatozoides começa quando eles entram em contato com as secreções do aparelho genital da fêmea e termina no istmo do oviduto. Durante esse percurso a superfície da cabeça do espermatozoide se modifica já que algumas moléculas como o colesterol são removidas da membrana plasmática, aumentando sua fluidez e alterando suas propriedades bioquímicas. Entre outras coisas, essa reorganização dos lipídios facilita a entrada de cálcio extracelular pelos canais iônicos e ocasiona a desestabilização da membrana, tornando-a mais fusogênica. Também são eliminados outros fatores (conhecidos genericamente como fatores descapacitantes) que expõem receptores membranais indispensáveis para a realização da união entre o espermatozoide e o ovócito durante a fertilização. Os espermatozoides capacitados apresentam um padrão de hipermotilidade e uma maior atividade metabólica, características que devem obter para que sejam capazes de penetrar as camadas do ovócito. A capacitação é necessária para que ocorra a reação acrossômica. A reação acrossomal ou acrossômica (RA) é um fenômeno de exocitose que é desencadeada pela ligação entre as proteínas e receptores localizados na membrana do espermatozoide e a zona pelúcida do ovócito (figura 3). Envolve a fusão da membrana plasmática do espermatozoide com a membrana externa de seu acrossomo; formando, assim, pequenas vesículas, cujo conteúdo de enzimas hidrolíticas, como a hialuronidase e a acrosina, é liberado em direção ao seu exterior, facilitando a penetração da zona pelúcida. A adesão do espermatozoide à zona pelúcida é específica da espécie e depende de glicoproteínas presentes na membrana dos ovócitos maduros; a cabeça do espermatozoide se une com essas glicoproteínas mediante receptores específicos e atravessam em direção oblíqua a zona pelúcida até chegar ao espaço perivitelino. Nos mamíferos, particularmente em roedores e nos humanos, algumas dessas glicoproteínas são conhecidas como ZP1, ZP2 e ZP3. Pensa-se que a união da membrana espermática a esta última é o que desencadeia a reação acrossomal. Posteriormente, as vilosidades do ovócito entram em contato com o espermatozoide e a membrana presente na secreção equatorial da cabeça do espermatozoide, que tem proteínas fusogênicas específicas, une-se a membrana plasmática do ovócito, fusionando-se e permitindo a entrada do núcleo espermático ao citoplasma (figura 4). A capacitação dos espermatozoides é fundamental para o êxito da fertilização, uma vez que apenas os aptos estarão perfeitos e íntegros para que a união e percepção das glicoproteínas presentes nos mesmos possam ocorrer de forma ideal para a penetração deste no ovócito, fertilizá-lo e formar um zigoto. Figura 3: estrutura do espermatozoide. Nota: a membrana é acrossomal e não acrossonal. Elaborado pelo autor. -/- Figura 4: eventos que ocorrem durante a fertilização. A – depois de passar através das células do cumulus, o espermatozoide entra em contato com a zona pelúcida, onde receptores da membrana plasmática reconhecem as proteínas da zona pelúcida; B – é desencadeada, então, a reação acrossomal; C – para que o espermatozoide penetre na zona pelúcida; D – ao atravessar a zona pelúcida e entrar no espaço perivitelino, a cabeça do espermatozoide entra em contato com a membrana vitelina; ambas membranas se fusionam graças ao reconhecimento de proteínas fusogênicas que estão no segmento equatorial. E – ocorre, então, que o núcleo do espermatozoide penetra no citoplasma do ovócito; uma das consequências da fusão da membrana com a cabeça do espermatozoide é a reação cortical, em que os grânulos corticais do ovócito liberam seu conteúdo em direção ao espaço perivitelino, o que resulta na alteração da estrutura da zona pelúcida e da membrana vitelina para bloquear a polispermia. Elaborado pelo autor. • _____CONSEQUÊNCIAS DA PENETRAÇÃO -/- Bloqueio da polispermia -/- A fusão das membranas dos gametas durante a penetração permite a entrada da fosfolipase C zeta (PLCζ) – fator solúvel que provém do espermatozoide – que desencadeia liberação e oscilações de Ca2+ no retículo endoplasmático. Isso, por sua vez, provoca a migração e fusão dos grânulos corticais, com a consequente liberação de enzimas, que mudam tanto a estrutura da zona pelúcida (por exemplo a inativação de ZP3), como a da membrana vitelina. Desse modo, impede-se que outros espermatozoides as penetrem, evitando assim a polispermia (figura 5). -/- Figura 5: os grânulos corticais que encontram-se na periferia do citoplasma, debaixo da superfície da membrana do ovócito, migram e fusionam-se sobre a mesma, liberando seu conteúdo no espaço perivitelino imediatamente depois da penetração do espermatozoide. A – como conse-quência, tanto a membrana vitelina como a zona pelúcida são modificadas, impedindo a entrada de mais espermatozoides, o que evita a polispermia. B – o ovócito retoma, então, sua segunda divisão meiótica, que ocasiona a expulsão do segundo corpúsculo polar, e na formação dos pronúcleos feminino e masculino. C – continuando, os pronúcleos migram, suas membranas se dissolvem e os cromossomos de ambos se condensam e se unem. Completa-se, assim, a singamia e forma-se, então, o zigoto. Elaborado pelo autor baseado nos livros de embriologia e fisiologia da reprodução conforme vida bibliografia. -/- Ativação do ovócito e formação de pronúcleos -/- Na maioria das fêmeas domésticas, com exceção da cadela, o ovócito encontra-se suspenso na metáfase II da segunda meiose no momento da ovulação. A entrada da PLCζ do espermatozoide no citoplasma do ovócito, e a consequente liberação de Ca2+, faz com que o ovócito se ative, terminando a segunda divisão meiótica e expulse o segundo corpo polar. Posteriormente, o material nuclear do ovócito se reorganiza para formar o pronú-cleo feminino. Entretanto, a membrana nuclear do espermatozoide se dissolve, a cromatina descondensa-se, as protaminas são substituídas por histonas, e se forma uma nova membrana nuclear, dando lugar ao pronúcleo masculino. -/- Singamia -/- Uma vez que os pronúcleos feminino e masculino são formados, migram para o centro do ovócito, aproximam-se, suas membranas se dispersam e os cromossomos paternos e maternos se associam, com o qual recupera a condição diploide e dá origem ao zigoto (figura 5). -/- • _____DESENVOLVIMENTO EMBRIONÁRIO -/- Poucas horas após a fertilização ocorre a primeira divisão do zigoto em duas, depois em 4, 8, 16 e 32 células, denominadas blastômeros. Essas divisões mitóticas são conhecidas como divisões de segmentação ou clivagem (figura 6), uma vez que são realizadas sem aumento do citoplasma, de modo que com cada divisão os blastômeros se tornam menores. A partir das 16 células o embrião se chama mórula, e é visto como uma massa celular compacta. A compactação deve-se a informação de proteínas de ligação entre os blastômeros. O embrião acumula líquido em seu interior, formando uma cavidade denominada blastocele. Esse processo é conhecido como blastulação; o embrião, assim, passa a ser chamado de blastocisto. Nessa etapa é possível diferenciar duas populações de células embrionárias: a massa celular interna, embrioblasto ou botão embrionário (que dará origem ao embrião), e a massa celular externa, células superficiais ou trofoblasto, do qual se originam a maioria das membranas fetais. Ao continuar a multiplicação das células e a acumulação de líquido, o blastocisto aumenta de tamanho, convertendo-se em blastocisto expandido. A zona pelúcida torna-se mais fina e, finalmente, o embrião eclode; isto é, o embrião é liberado da zona pelúcida. -/- • _____FERTILIZAÇÕES ATÍPICAS -/- Polispermia -/- É a penetração de dois ou mais espermatozoides no óvulo. Esta condição é letal nos mamíferos, já que o número cromossômico desse zigoto é maior que 2n, o envelheci-mento do ovócito da porca, como consequência do serviço tardio, favorece a apresentação da polispermia, por isso, é comum ver números de nascimentos de média de 10 a 12 leitões por parição nessa espécie. Nas aves, no entanto, a penetração de mais de um espermatozoide é normal, embora apenas um pronúcleo masculino se formará, fundindo-se com o feminino. -/- Figura 6: etapas do processo de segmentação/clivagem. Fonte: aula de reprodução da professora Domenica Palomaris, UFT. -/- Ginogênese -/- É o desenvolvimento de um embrião a partir de um óvulo normal fecundado por um espermatozoide, mas sem a fusão dos cromossomos masculinos com os da fêmea. A função do espermatozoide, nesse caso, é a de ativação do ovócito para que este inicie seu desenvolvimento, mas não há fusão com o núcleo do espermatozoide. Ocorre em plantas, em nematódeos e em algumas espécies de peixes, por exemplo a Poecilia formosa, espécie em que os ovócitos das fêmeas são ativados por machos de outra espécie relacio-nada. -/- Partenogênese -/- Consiste no desenvolvimento do embrião sem a participação do espermatozoide. Ocorre em alguns insetos, o zangão, por exemplo, é partenogenético. Também pode apresentar-se em perus, cujos embriões são machos e, geralmente, morrem antes da eclosão. -/- • _____GÊMEOS -/- Existem dois tipos de gêmeos: idênticos ou monozigóticos e os não idênticos ou dizigóticos. -/- Idênticos ou monozigóticos -/- Originam-se do mesmo zigoto, sendo assim, possuem o mesmo genótipo e um fenótipo similar e, portanto, são do mesmo sexo. Em laboratório é possível gerá-los ao seccionar uma mórula em duas ou mais partes, por meio de um micromanipulador. Uma vez que possuem o mesmo genótipo, os produtos resultantes são clones. -/- Não idênticos ou dizigóticos -/- Provêm da fertilização de dois óvulos distintos por espermatozoides diferentes. Possuem, portanto, genótipos e fenótipos diferentes, e podem ser de sexo diferente. -/- REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS -/- ALBERTS, Bruce et al. Biologia molecular da célula. Artmed Editora, 2010. AUSTIN, Colin Russell; SHORT, Roger Valentine. Reproduction in Mammals, Book I: Germ Cells and Fertilization. 1982. BEARDEN, Henry Joe et al. Reproducción animal aplicada. México: Manual Moderno, 1982. BOSCH, P.; WRIGHT JR, R. W. The oviductal sperm reservoir in domestic mammals. Archivos de medicina veterinaria, v. 37, n. 2, p. 95-105, 2005. CAPALLEJAS, Roberto Brito; RODRÍGUEZ, Lourdes Tagle. Fisiología de la reproducción animal: con elementos de biotecnología. Editorial Félix Varela, 2010. 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Fale sobre a eficiência do transporte do gameta no trato genital da fêmea e sobre a retenção de ovócitos pela égua. -/- 4. Defina as células do cumulus e explique seu papel sobre o ovócito. -/- 5. Quais as estruturas que compõem o ovócito? Qual a função de cada uma? -/- 6. Todos os ovócitos das fêmeas domésticas são iguais? Justifique. -/- 7. Disserte sobre o papel dos hormônios e das secreções sobre o transporte do ovócito no trato genital da fêmea. -/- 8. Disserte sobre o transporte do espermatozoide. Por que há transporte rápido e lento dos espermatozoides? -/- 9. Fale sobre o local de deposição do sêmen nas espécies domésticas e como esse influen-cia na eficiência da reprodução. -/- 10. Por que a vida média do espermatozoide canino é maior que as outras espécies? -/- 11. Quais as mudanças que os espermatozoides precisam sofrer para conseguir êxito na fertilização e por quê? -/- 12. Defina fase de transporte rápido, fase sustentada e hipermotilidade. Qual a importân-cia de cada um? -/- 13. Como ocorre a reação acrossômica? -/- 14. O que é polispermia e como ocorre seu bloqueio? 15. Como ocorre a ativação do ovócito e como se formam os pronúcleos? -/- 16. O que é e qual a importância da singamia? -/- 17. Disserte sobre as divisões de segmentação e qual a importância destas para o êxito da reprodução. -/- 18. Defina e diferencia mórula e blastocisto. -/- 19. Defina e diferencie ginogênese e partenogênese. -/- 20. Qual o papel endócrino e quais hormônios e enzimas atuam sobre o transporte de gametas, sobre a fertilização e sobre a segmentação? (shrink)

One of the most prospective directions of study of C.G. Jung’s synchronicity phenomenon is reviewed considering the latest achievements of modern science. The attention is focused mainly on the quantum entanglement and related phenomena – quantum coherence and quantum superposition. It is shown that the quantum non-locality capable of solving the Einstein-Podolsky-Rosen paradox represents one of the most adequate physical mechanisms in terms of conformity with the Jung’s synchronicity hypothesis. An attempt is made on psychophysiological substantiation of synchronicity within the (...) context of molecular biology. An original concept is proposed, stating that biological molecules involved in cell division during mitosis and meiosis, particularly DNA may be considered material carriers of consciousness. This assumption may be formulated on the basis of phenomenology of Jung’s analytical psychology. (shrink)

In searching for life in extraterrestrial space, it is essential to act based on an unequivocal definition of life. In the twentieth century, life was defined as cells that self-replicate, metabolize, and are open for mutations, without which genetic information would remain unchangeable, and evolution would be impossible. Current definitions of life derive from statistical mechanics, physics, and chemistry of the twentieth century in which life is considered to function machine like, ignoring a central role of communication. Recent observations (...) show that context-dependent meaningful communication and network formation (and control) are central to all life forms. Evolutionary relevant new nucleotide sequences now appear to have originated from social agents such as viruses, their parasitic relatives, and related RNA networks, not from errors. By applying the known features of natural languages and communication, a new twenty-first century definition of life can be reached in which communicative interactions are central to all processes of life. A new definition of life must integrate the current empirical knowledge about interactions between cells, viruses, and RNA networks to provide a better explanatory power than the twentieth century narrative. (shrink)

Attempts to ‘naturalize’ phenomenology challenge both traditional phenomenology and traditional approaches to cognitive science. They challenge Edmund Husserl’s rejection of naturalism and his attempt to establish phenomenology as a foundational transcendental discipline, and they challenge efforts to explain cognition through mainstream science. While appearing to be a retreat from the bold claims made for phenomenology, it is really its triumph. Naturalized phenomenology is spearheading a successful challenge to the heritage of Cartesian dualism. This converges with the reaction against Cartesian thought (...) within science itself. Descartes divided the universe between res cogitans, thinking substances, and res extensa, the mechanical world. The latter won with Newton and we have, in most of objective science since, literally lost our mind, hence our humanity. Despite Darwin, biologists remain children of Newton, and dream of a grand theory that is epistemologically complete and would allow lawful entailment of the evolution of the biosphere. This dream is no longer tenable. We now have to recognize that science and scientists are within and part of the world we are striving to comprehend, as proponents of endophysics have argued, and that physics, biology and mathematics have to be reconceived accordingly. Interpreting quantum mechanics from this perspective is shown to both illuminate conscious experience and reveal new paths for its further development. In biology we must now justify the use of the word “function”. As we shall see, we cannot prestate the ever new biological functions that arise and constitute the very phase space of evolution. Hence, we cannot mathematize the detailed becoming of the biosphere, nor write differential equations for functional variables we do not know ahead of time, nor integrate those equations, so no laws “entail” evolution. The dream of a grand theory fails. In place of entailing laws, a post-entailing law explanatory framework is proposed in which Actuals arise in evolution that constitute new boundary conditions that are enabling constraints that create new, typically unprestatable, Adjacent Possible opportunities for further evolution, in which new Actuals arise, in a persistent becoming. Evolution flows into a typically unprestatable succession of Adjacent Possibles. Given the concept of function, the concept of functional closure of an organism making a living in its world, becomes central. Implications for patterns in evolution include historical reconstruction, and statistical laws such as the distribution of extinction events, or species per genus, and the use of formal cause, not efficient cause, laws. (shrink)

There are two fundamental models to understanding the phenomenon of natural life. One is thecomputational model, which is based on the symbolic thinking paradigm. The other is the biologicalorganism model. The common difficulty attributed to these paradigms is that their reductive tools allowthe phenomenological aspects of experience to remain hidden behind yes/no responses (behavioraltests), or brain ‘pictures’ (neuroimaging). Hence, one of the problems regards how to overcome meth-odological difficulties towards a non-reductive investigation of conscious experience. It is our aim in (...) thispaper to show how cooperation between Eastern and Western traditions may shed light for a non-reductive study of mind and life. This study focuses on the first-person experience associated withcognitive and mental events. We studied phenomenal data as a crucial fact for the domain of livingbeings, which, we expect, can provide the ground for a subsequent third-person study. The interventionwith Jhana meditation, and its qualitative assessment, provided us with experiential profiles based uponsubjects' evaluations of their own conscious experiences. The overall results should move towards anintegrated or global perspective on mind where neither experience nor external mechanisms have thefinal word. (shrink)

Schröedinger’s question “what is life?” was a real challenge for the scientific community and this still remains as an opened question, because in spite of the important advances in various scientific branches like philosophy, biology, chemistry and physics,, each of them assesses life from its particular point of view to explain the life’ characteristic features, so not a coherent and well structured general model of life was reported. In this paper life is approached from informational perspective, starting from earlier Draganeacu's (...) philosophic concepts, showing that actually life is structured by matter and information. Therefore, it is analyzed carbon-matter properties on the basis of which the living structures are composed, giving rise not only of a considerable number of carbon-based compounds, but serving now beside silicon, as an useful material for micro/nanostructure applications. Such specific properties refers to the high ability of carbon to associate/dissociate in chemical reactions regulated/facilitated by informational (Bit unit) YES/NO bistable mechanisms to form macro/small molecules with complementary properties, reactive info-functional pathways of transduction, relaying, amplification, integration, spreading, modulation, activation and positive/negative feedback reactions, like in the informational microelectronic/microsystems circuits. It is argued that the negentropy invoked earlier in Schrödinger's analysis is a consequence of informational-assisted structuration/organization of the cell and human organism. From the analysis of inter/intra-communication mechanisms in the cell and comparing with the outcomes described by the Informational Model of Human Body, it is deduced that, the living organisms operate on the basis of three main streaming circuits assuring the living functions: (1) the metabolic matter-related circuit; (2) the operative informational circuit; (3) the epigenetic informational circuit for the gradual integration of information in the central informational structure – DNA. It is founded on these bases the Informational Model of the Living Structures, and the Informational System of the Living Structures (ISLS), with similar functions on the entire living scale size, from unitary to multicellular living structures, composed by seven informational systems, namely [CASI (center of acquisition and storing of information), CDC (center of decision and command), IRSS (info-reactive sentient system), MIS (maintenance info-system), GTS (genetic transmission system), IGG (info-genetic generator) and IC (info-connection)]ISLS, and are identified the specific functions of each of them. The living structures operate thus like self-“polarized" bipolar info-matter informational devices by means of the stand-by metabolic matter-related circuit, and react/respond to the external/internal informational stimuli, which modulate their functionality, returning an external reaction signal (“attitude"), for adaptation and survival. (shrink)

In the late 19th century Husserl studied our internal sense of time passing, maintaining that its deep connections into experience represent prima facie evidence for it as the basis for all investigations in the sciences: Phenomenology was born. Merleau-Ponty focused on perception pointing out that any theory of experience must in accord with established aspects of biology i.e. embodied. Recent analyses suggest that theories of experience require non-reductive, integrative information, together with a specific property connecting them to experience. Here we (...) elucidate a new class of information states with just such properties found at the loci of control of complex biological systems, including nervous systems. Complexity biology concerns states satisfying self-organized criticality. Such states are located at critical instabilities, commonly observed in biological systems, and thought to maximize information diversity and processing, and hence to optimize regulation. Major results for biology follow: why organisms have unusually low entropies; and why they are not merely mechanical. Criticality states form singular self-observing systems, which reduce wave packets by processes of perfect self-observation associated with feedback gain g=1. Analysis of their information properties leads to identification of a new kind of information state with high levels of internal coherence, and feedback loops integrated into their structure. The major idea presented here is that the integrated feedback loops are responsible for our ‘sense of self’, and also the feeling of continuity in our sense of time passing. Long-range internal correlations guarantee a unique kind of non-reductive, integrative information structure enabling such states to naturally support phenomenal experience. Being founded in complexity biology, they are ‘embodied’; they also fulfill the statement that ‘The self is a process’, a singular process. High internal correlations and RenéThom-style catastrophes support non-digital forms of information, gestalt cognition, and information transfer via quantum teleportation. Criticality in complexity biology can ‘embody’ cognitive states supporting gestalts, and phenomenology’s senses of ‘self,’ time passing, existence and being. (shrink)

The theme of phenomenology and quantum physics is here tackled by examining some basic interpretational issues in quantum physics. One key issue in quantum theory from the very beginning has been whether it is possible to provide a quantum ontology of particles in motion in the same way as in classical physics, or whether we are restricted to stay within a more limited view of quantum systems, in terms of complementary but mutually exclusive phenomena. In phenomenological terms we could describe (...) the situation by saying that according to the usual interpretation of quantum theory, quantum phenomena require a kind of epoche. However, there are other interpretations that seem to re-establish the possibility of a mind-independent ontology at the quantum level. We will show that even such ontological interpretations contain novel, non-classical features, which require them to give a special role to “phenomena” or “appearances”, a role not encountered in classical physics. We will conclude that while ontological interpretations of quantum theory are possible, quantum theory implies the need of a certain kind of epoche even for this type of interpretations. While different from the epoche connected to phenomenological description, the “quantum epoche” nevertheless points to a potentially interesting parallel between phenomenology and quantum philosophy. (shrink)

Without directly addressing the Demarcation Problem for logic—the problem of distinguishing logical vocabulary from others—we focus on distinctive aspects of logical vocabulary in pursuit of a second goal in the philosophy of logic, namely, proposing criteria for the justification of logical rules. Our preferred approach has three components. Two of these are effectively Belnap’s, but with a twist. We agree with Belnap’s response to Prior’s challenge to inferentialist characterisations of the meanings of logical constants. Belnap argued that for a logical (...) constant to exist, its rules must be conservative over a previously given consequence relation and guarantee the uniqueness of the constant. The twist is that we require logical vocabulary to be provably conservative, not over a previously given formal consequence relation, but over a previously given meaningful vocabulary of a language. Uniqueness is also a feature defined in terms of provability: if two syntactically distinguished expressions are governed by the same rules, then formulas with them as main operators are interderivable. Belnap’s criteria are not only those for the existence of a logical constant, but more: they are what distinguishes logical vocabulary from all other expressions. It is the defining mark of a logical constant that it is provably conservative over the fragment of the language which excludes it and that its rules guarantee its uniqueness. The third component is the topic neutrality of logic. The provable conservativeness of logic over a previously given vocabulary of a language is motivated, in part, by appeal to molecularism in the theory of meaning. Molecularity is a feature endorsed by the theory of meaning as a whole, so it does not distinguish logical constants from other expressions. The same is true for conservativeness. We argue that molecularity, and hence conservativeness, are implicit presuppositions of speakers’ use of language: the addition of new vocabulary to a language is presupposed to be conservative. But this presupposition is one that we should be able reflectively to endorse (such as when attempting a rational reconstruction of the use of the vocabulary). Thus, where conservativeness is found to fail, this defect should be remedied and the use of the vocabulary corrected (as in classical negation) or excised altogether (as in pejoratives). We go on to characterise a notion of topic neutrality, which we argue applies to logical vocabulary. We then note that reflective endorsement of the conservativeness of a topic neutral vocabulary requires a proof that the vocabulary is conservative relative to any base vocabulary. Thus we require that logical vocabulary be demonstrably conservative. Allying this requirement, distinctive of logic, to a general consideration about the commitments of assertion yields a mode of justification for logical constants akin to some conceptions of Harmony, i.e., to the idea that the consequences of assertion of a logical complex need to be warranted by the grounds and ought to be the strongest consequences warranted by the grounds. Intuitionistic logic acquires a somewhat familiar justification but emanating from a new motivation. (shrink)