Recent successes of systems biology clarified that biological functionality is multilevel. We point out that this fact makes it necessary to revise popular views about macromolecular functions and distinguish between local, physico-chemical and global, biological functions. Our analysis shows that physico-chemical functions are merely tools of biological functionality. This result sheds new light on the origin of cellular life, indicating that in evolutionary history, assignment of biological functions to cellular ingredients plays a crucial role. (...) In this wider picture, even if aggregation of chance mutations of replicator molecules and spontaneously self-assembled proteins led to the formation of a system identical with a living cell in all physical respects but devoid of biological functions, it would remain an inanimate physical system, a pseudo-cell or a zombie-cell but not a viable cell. In the origin of life scenarios, a fundamental circularity arises, since if cells are the minimal units of life, it is apparent that assignments of cellular functions require the presence of cells and vice versa. Resolution of this dilemma requires distinguishing between physico-chemical and biological symbols as well as between physico-chemical and biological information. Our analysis of the concepts of symbol, rule and code suggests that they all rely implicitly on biological laws or principles. We show that the problem is how to establish physico-chemically arbitrary rules assigning biological functions without the presence of living organisms. We propose a solution to that problem with the help of a generalized action principle and biological harnessing of quantum uncertainties. By our proposal, biology is an autonomous science having its own fundamental principle. The biological principle ought not to be regarded as an emergent phenomenon. It can guide chemical evolution towards the biological one, progressively assigning greater complexity and functionality to macromolecules and systems of macromolecules at all levels of organization. This solution explains some perplexing facts and posits a new context for thinking about the problems of the origin of life and mind. (shrink)

Louise Brown's birth in 1978 heralded a new era not just in reproductive technology, but in the relationship between science, cells, and society. For the first time, human embryos could be created, selected, studied, manipulated, frozen, altered, or destroyed, outside the human body. But with this possibility came a plethora of ethical questions. Is it acceptable to destroy a human embryo for the purpose of research? Or to create an embryo with the specific purpose of destroying it for research? In (...) an attempt to construct ethical and legal frameworks for the new era of cellular reprogramming, legislators and ethicists have tried to distinguish between different kinds of biological entity. We treat cells differently depending on whether they are human or animal, somatic cells or gametes, and on whether they are embryos or not. But this approach to the ethics of cellular reprogramming is doomed to failure for the simple reason that cellular reprogramming in itself destroys the distinctions that the law requires to function. In this article, we explore the historical trajectory of cellular reprogramming and its relationship with ethics and society. We suggest that the early hype of embryo research has not obviously fulfilled expectations, but since new avenues of research are continuously opening, it is hard to say definitely that these promises have been broken. We explore the forthcoming challenges posed by the creation of DNA from scratch in the laboratory, and the implications of this for understandings of identity, privacy, and reproduction. We conclude that while ethics used to seek answers in biological facts, this is no longer possible, and a new approach is required. (shrink)

Different anesthetics are known to modulate different types of membrane-bound receptors. Their common mechanism of action is expected to alter the mechanism for consciousness. Consciousness is hypothesized as the integral of all the units of internal sensations induced by reactivation of inter-postsynaptic membrane functional LINKs during mechanisms that lead to oscillating potentials. The thermodynamics of the spontaneous lateral curvature of lipid membranes induced by lipophilic anesthetics can lead to the formation of non-specific inter-postsynaptic membrane functional LINKs by different mechanisms. These (...) include direct membrane contact by excluding the inter-membrane hydrophilic region and readily reversible partial membrane hemifusion. The constant reorganization of the lipid membranes at the lateral edges of the postsynaptic terminals (dendritic spines) resulting from AMPA receptor-subunit vesicle exocytosis and endocytosis can favor the effect of anesthetic molecules on lipid membranes at this location. Induction of a large number of non-specific LINKs can alter the conformation of the integral of the units of internal sensations that maintain consciousness. Anesthetic requirement is reduced in the presence of dopamine that causes enlargement of dendritic spines. Externally applied pressure can transduce from the middle ear through the perilymph, cerebrospinal fluid, and the recently discovered glymphatic pathway to the extracellular matrix space, and finally to the paravenular space. The pressure gradient reduce solubility and displace anesthetic molecules from the membranes into the paravenular space, explaining the pressure reversal of anesthesia. Changes in membrane composition and the conversion of membrane hemifusion to fusion due to defects in the checkpoint mechanisms can lead to cytoplasmic content mixing between neurons and cause neurodegenerative changes. The common mechanism of anesthetics presented here can operate along with the known specific actions of different anesthetics. (shrink)

Despite the various criteria presented in the literature, most authors engaged in the debate about emergence agree on a fundamental distinction between strong/ontologically robust cases of emergence and weak/metaphysically innocent ones. The former typically involve entities that exhibit new causal capacities, while the latter are primarily associated with deductive unpredictability, conceptual novelty, and other qualities that highlight our epistemic limitations in understanding them. In this paper, I initially examine a paradigmatic example of weak emergence, namely the higher-level patterns generated by (...) virtual Cellular Automata (CAs) as analysed by Mark Bedau. Then, I demonstrate that the same mechanism can be observed in real biological systems, such as the dynamics governing the pigmentation ontogeny of the ocellated lizard (Timon lepidus). Unlike virtual CAs, however, real CAs produce patterns that seem to perform non-reducible functions. Therefore, I propose that despite the similarities between virtual and real CAs, the pigmentation pattern of the ocellated lizard should be regarded as a case of strong emergence. Moreover, I suggest that this analysis may shed light on the nature of biological emergent entities in general. Finally, the paper includes an Addendum introducing an issue that, while not exhaustively addressed here, is highly relevant: how to metaphysically conceptualise the causal efficacy exhibited by the pigmentation patterns. (shrink)

Cells are cognitive entities possessing great computational power. DNA serves as a multivalent information storage medium for these computations at various time scales. Information is stored in sequences, epigenetic modifications, and rapidly changing nucleoprotein complexes. Because DNA must operate through complexes formed with other molecules in the cell, genome functions are inherently interactive and involve two-way communication with various cellular compartments. Both coding sequences and repetitive sequences contribute to the hierarchical systemic organization of the genome. By virtue of (...) nucleoprotein complexes, epigenetic modifications, and natural genetic engineering activities, the genome can serve as a read-write storage system. An interactive informatic conceptualization of the genome allows us to understand the functional importance of DNA that does not code for protein or RNA structure, clarifies the essential multidirectional and systemic nature of genomic information transfer, and emphasizes the need to investigate how cellular computation operates in reproduction and evolution. (shrink)

The aim of this paper is to provide a theoretical framework to understand how multicellular systems realize functionally integrated physiological entities by organizing their intercellular space. From a perspective centered on physiology and integration, biological systems are often characterized as organized in such a way that they realize metabolic self-production and self-maintenance. The existence and activity of their components rely on the network they realize and on the continuous management of the exchange of matter and energy with their environment. One (...) of the virtues of the organismic approach focused on organization is that it can provide an understanding of how biological systems are functionally integrated into coherent wholes. Organismic frameworks have been primarily developed by focusing on unicellular life. Multicellularity, however, presents additional challenges to our understanding of biological systems, related to how cells are capable to live together in higher-order entities, in such a way that some of their features and behaviors are constrained and controlled by the system they realize. Whereas most accounts of multicellularity focus on cell differentiation and increase in size as the main elements to understand biological systems at this level of organization, we argue that these factors are insufficient to provide an understanding of how cells are physically and functionally integrated in a coherent system. In this paper, we provide a new theoretical framework to understand multicellularity, capable to overcome these issues. Our thesis is that one of the fundamental theoretical principles to understand multicellularity, which is missing or underdeveloped in current accounts, is the functional organization of the intercellular space. In our view, the capability to be organized in space plays a central role in this context, as it enables (and allows to exploit all the implications of) cell differentiation and increase in size, and even specialized functions such as immunity. We argue that the extracellular matrix plays a crucial active role in this respect, as an evolutionary ancient and specific (non-cellular) control subsystem that contributes as a key actor to the functional specification of the multicellular space and to modulate cell fate and behavior. We also analyze how multicellular systems exert control upon internal movement and communication. Finally, we show how the organization of space is involved in some of the failures of multicellular organization, such as aging and cancer. (shrink)

Synthetic biology (SynBio) covers two main areas: application engineering, exemplified by metabolic engi- neering, and the design of life from artificial building blocks. As the general public is often reluctant to embrace synthetic approaches, preferring nature to artifice, its immediate future will depend very much on the public’s reaction to the unmet needs created by the pervasive demands of sustainability. On the other hand, this reluctance should not have a negative impact on research that will now take into account the (...) existence of the multiple transitions that cells face over time. The ages of life—birth, development, maturation, senescence and death—reflect specific key transitions and have, until now, rarely been taken into account in SynBio designs. This results in a mismatch between novelty and the very long evolutionary time that led to the existing chassis [remember that this is the common term used to describe the cellular framework as seen by synthetic biologists (de Lorenzo & Danchin, 2008)]. It also implies that, in general, transitions between growth stages will be taken into account with the appro- priate embodiment of highly specific processes. This is particularly important when adapting new models to their host, whether natural or artificial. Adaptation fol- lows two stages, short-term accommodation of new entities and long-term assimilation into the cell as a whole. This requires discrimination between classes of entities. We suggest that proteins playing the essential role of Maxwell’ demons, here named Maxwell’s dis- criminators (MxDs) to refer to their original function, will permit the assimilation and accommodation of artificial constructs. As a consequence, we can foresee that class discrimination, beyond mere recognition, will be implemented in SynBio 2.0, leading to an authentic par- adigm shift (Kuhn, 1996), based on conceptions that embody information as a genuine currency of reality. (shrink)

In recent years, sequencing technologies have enabled the identification of a wide range of non-coding RNAs (ncRNAs). Unfortunately, annotation and integration of ncRNA data has lagged behind their identification. Given the large quantity of information being obtained in this area, there emerges an urgent need to integrate what is being discovered by a broad range of relevant communities. To this end, the Non-Coding RNA Ontology (NCRO) is being developed to provide a systematically structured and precisely defined controlled vocabulary for the (...) domain of ncRNAs, thereby facilitating the discovery, curation, analysis, exchange, and reasoning of data about structures of ncRNAs, their molecular and cellular functions, and their impacts upon phenotypes. The goal of NCRO is to serve as a common resource for annotations of diverse research in a way that will significantly enhance integrative and comparative analysis of the myriad resources currently housed in disparate sources. It is our belief that the NCRO ontology can perform an important role in the comprehensive unification of ncRNA biology and, indeed, fill a critical gap in both the Open Biological and Biomedical Ontologies (OBO) Library and the National Center for Biomedical Ontology (NCBO) BioPortal. Our initial focus is on the ontological representation of small regulatory ncRNAs, which we see as the first step in providing a resource for the annotation of data about all forms of ncRNAs. The NCRO ontology is free and open to all users. (shrink)

In recent years, sequencing technologies have enabled the identification of a wide range of non-coding RNAs (ncRNAs). Unfortunately, annotation and integration of ncRNA data has lagged behind their identification. Given the large quantity of information being obtained in this area, there emerges an urgent need to integrate what is being discovered by a broad range of relevant communities. To this end, the Non-Coding RNA Ontology (NCRO) is being developed to provide a systematically structured and precisely defined controlled vocabulary for the (...) domain of ncRNAs, thereby facilitating the discovery, curation, analysis, exchange, and reasoning of data about structures of ncRNAs, their molecular and cellular functions, and their impacts upon phenotypes. The goal of NCRO is to serve as a common resource for annotations of diverse research in a way that will significantly enhance integrative and comparative analysis of the myriad resources currently housed in disparate sources. It is our belief that the NCRO ontology can perform an important role in the comprehensive unification of ncRNA biology and, indeed, fill a critical gap in both the Open Biological and Biomedical Ontologies (OBO) Library and the National Center for Biomedical Ontology (NCBO) BioPortal. Our initial focus is on the ontological representation of small regulatory ncRNAs, which we see as the first step in providing a resource for the annotation of data about all forms of ncRNAs. (shrink)

Questioning the nature of individuality has a long and a rich history, both in philosophy and in biology. Because they differ in several features from the pervasive vertebrate-human model, plants have been considered as complicating the question. Here, the various plant species on which authors—whether biologists or philosophers—rely to build the picture of plant individuality are examined and tracked for their peculiarities, thus constituting an “herbiary” of plant individuality. The herbiary of plant individuality has as its members species exhibiting a (...) diverse collection of traits and illustrating different questions related to plant individuality. This essay assesses the peculiarity of the features of these plants and the reality of their differences from animals. Because some plant features are supposed to pose a threat to individual genetic homogeneity, higher heterogeneity has been assumed for plants compared to animals. Moreover, individual plants are sometimes identified with communities. How does this supposed heterogeneity appear in particular species? Cultivated plants exhibit distinctive diversity, and their overrepresentation in the study of plant diversity might bias the way plant individuality is understood. Just as there is a vertebrate bias, there may also be a cultivated plant bias. Recent results bring plants much closer to animals in terms of cellular functioning, so plants might not be so different from animals with respect to their diversity, and consequently their individuality. (shrink)

Plants have evolved with complex signaling circuits that operate under multiple conditions and govern numerous cellular functions. Stress signaling in plant cells is a sophisticated network composed of interacting proteins organized into tiered cascades where the function of a molecule is dependent on the interaction and the activation of another. In a linear scheme, the receptors of cell surface sense the stimuli and convey stress signals through specific pathways and downstream phosphorylation events controlled by mitogen-activated protein (MAP) kinases (...) and second messengers, leading to appropriate adaptive responses. The specificity of the pathway is guided by scaffolding proteins and docking domains inside the interacting partners with distinctive structures and functions. The flexibility and the fine-tuned organization of the signaling molecules drive the activated MAP kinases into the appropriate location and connection to control and integrate the information flow. Here, we overview recent findings of the involvement of MAP kinases in major abiotic stresses (drought, cold and temperature fluctuations) and we shed light on the complexity and the specificity of MAP kinase signaling modules. (shrink)

This paper explores the evolution of consciousness and subjectivity through a biological framework for understanding the universe. It posits that functional patterns in biological systems mirror cosmic mathematical principles, defining our objective reality. Similar to wave and Fibonacci patterns in different physical phenomena, biological patterns are intrinsic to all things and can be quantified using Dedre Gentner’s approach to analogy. For example, Earth’s ocean currents and the melting and freezing of Antarctica resemble the circulatory system and heart, while the production (...) of music from instruments is analogous to ribosomal protein synthesis. Shelves, tables, and chairs function like cytosol by holding objects in space, and a coffee cup mirrors red blood cell distribution. These analogies reveal a universal order rooted in biology’s functional patterns, essential for shaping the emergence and evolution of life. The paper traces the development of consciousness from its rudimentary cellular states to complex human cognition, highlighting the role of biologically-patterned environments in driving evolutionary changes. Organisms that recognized and organized according to these patterns evolved as “pattern recognition engines” crucial for survival—thus, Life (survival) being the primary measure of consciousness. Humans advanced this capacity, gaining cognitive freedom by insulating themselves from environmental constraints, but faced increased subjectivity complexity. Consciousness, while inherently subjective and necessary for cognitive development, evolves in humans to understand objective reality and its biological nature, so to understand and navigate complexities of subjectivity. Ultimately, the paper asserts consciousness is the ability to recognize and adhere to life-sustaining patterns and principles. Successful adherence deems them worthy of continued existence, while failure leads to demise. Parallels with historical concepts like Atman and Brahman in Hinduism suggest ancient recognition of the correspondence between human and universal patterns. This ancient understanding, coupled with modern scientific evidence, reveals the interconnectedness and intrinsic biological nature of reality. (shrink)

John Bickle recently proposed a metascientific reading of certain neuroscientific practices related to phenomena traditionally studied by psychology. According to this view, the dominant explanatory proceeding in neuroscience is to apply empirical reductions to explain psychological phenomena in cellular and molecular terms, relegating the role of psychology to a mere heuristic, without explanatory power. Thus, according to the strength of the conclusions reached by this method, it puts in check the value of psychological functional explanations. In this work, we (...) seek to reformulate some of these challenging proposals in philosophy of neuroscience. To this end, the main weaknesses of Bickle's proposal will be shown. Also, here will put into perspective some (reductionist, eliminativists?) features of ruthless reductionism, showing that this model maybe represent only a reading of the pragmatic use of certain methods in neuroscience, rather than a statement of principles generalizable to all cognitive science. (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)

The notion of a physiological individuals has been developed and applied in the philosophy of biology to understand symbiosis, an understanding of which is key to theorising about the major transition in evolution from multi-organismality to multi-cellularity. The paper begins by asking what such symbiotic individuals can help to reveal about a possible transition in the evolution of cognition. Such a transition marks the movement from cooperating individual biological cognizers to a functionally integrated cognizing unit. Somewhere along the way, did (...) such cognizing units simultaneously have cognizers as parts? Expanding upon the multiscale integration view of the Free Energy Principle, this paper develops an account of reciprocal integration, demonstrating how some coupled biological cognizing systems, when certain constraints are met, can result in a cognizing unit that is in ways greater than the sum of its cognizing parts. Symbiosis between V. Fischeri bacteria and the bobtail squid is used to provide an illustration this account. A novel manner of conceptualizing biological cognizers as gradient is then suggested. Lastly it is argued that the reason why the notion of ontologically nested cognizers may be unintuitive stems from the fact that our folk-psychology notion of what a cognizer is has been deeply influenced by our folk-biological manner of understanding biological individuals as units of reproduction. (shrink)

Forty years’ experience as a bacterial geneticist has taught me that bacteria possess many cognitive, computational and evolutionary capabilities unimaginable in the first six decades of the twentieth century. Analysis of cellular processes such as metabolism, regulation of protein synthesis, and DNA repair established that bacteria continually monitor their external and internal environments and compute functional outputs based on information provided by their sensory apparatus. Studies of genetic recombination, lysogeny, antibiotic resistance and my own work on transposable elements revealed (...) multiple widespread bacterial systems for mobilizing and engineering DNA molecules. Examination of colony development and organization led me to appreciate how extensive multicellular collaboration is among the majority of bacterial species. Contemporary research in many laboratories on cell–cell signaling, symbiosis and pathogenesis show that bacteria utilise sophisticated mechanisms for intercellular communication and even have the ability to commandeer the basic cell biology of ‘higher’ plants and animals to meet their own needs. This remarkable series of observations requires us to revise basic ideas about biological information processing and recognise that even the smallest cells are sentient beings. (shrink)

Biomedical research is increasingly a matter of the navigation through large computerized information resources deriving from functional genomics or from the biochemistry of disease pathways. To make such navigation possible, controlled vocabularies are needed in terms of which data from different sources can be unified. One of the most influential developments in this regard is the so-called Gene Ontology, which consists of controlled vocabularies of terms used by biologists to describe cellular constituents, biological processes and molecular functions, organized (...) into hierarchies via the relation of class subsumption. Here we seek to provide a rigorous account of the logic of classification that underlies GO and similar biomedical ontologies. Drawing on Aristotle, we develop a system of axioms and definitions for the treatment of biological classes and instances. (shrink)

I go deep into the biology of the human organism to argue that the psychological features and functions of persons are realized by cellular and molecular parallel distributed processing networks dispersed throughout the whole body. Persons supervene on the computational processes of nervous, endocrine, immune, and genetic networks. Persons do not go with brains.

Let us start by some general definitions of the concept of complexity. We take a complex system to be one composed by a large number of parts, and whose properties are not fully explained by an understanding of its components parts. Studies of complex systems recognized the importance of “wholeness”, defined as problems of organization (and of regulation), phenomena non resolvable into local events, dynamics interactions in the difference of behaviour of parts when isolated or in higher configuration, etc., in (...) short, systems of various orders (or levels) not understandable by investigation of their respective parts in isolation. In a complex system it is essential to distinguish between ‘global’ and ‘local’ properties. Theoretical physicists in the last two decades have discovered that the collective behaviour of a macro-system, i.e. a system composed of many objects, does not change qualitatively when the behaviour of single components are modified slightly. Conversely, it has been also found that the behaviour of single components does change when the overall behaviour of the system is modified. There are many universal classes which describe the collective behaviour of the system, and each class has its own characteristics; the universal classes do not change when we perturb the system. The most interesting and rewarding work consists in finding these universal classes and in spelling out their properties. This conception has been followed in studies done in the last twenty years on second order phase transitions. The objective, which has been mostly achieved, was to classify all possible types of phase transitions in different universality classes and to compute the parameters that control the behaviour of the system near the transition (or critical or bifurcation) point as a function of the universality class. This point of view is not very different from the one expressed by Thom in the introduction of Structural Stability and Morphogenesis (1975). It differs from Thom’s program because there is no a priori idea of the mathematical framework which should be used. Indeed Thom considers only a restricted class of models (ordinary differential equations in low dimensional spaces) while we do not have any prejudice regarding which models should be accepted. One of the most interesting and surprising results obtained by studying complex systems is the possibility of classifying the configurations of the system taxonomically. It is well-known that a well founded taxonomy is possible only if the objects we want to classify have some unique properties, i.e. species may be introduced in an objective way only if it is impossible to go continuously from one specie to another; in a more mathematical language, we say that objects must have the property of ultrametricity. More precisely, it was discovered that there are conditions under which a class of complex systems may only exist in configurations that have the ultrametricity property and consequently they can be classified in a hierarchical way. Indeed, it has been found that only this ultrametricity property is shared by the near-optimal solutions of many optimization problems of complex functions, i.e. corrugated landscapes in Kauffman’s language. These results are derived from the study of spin glass model, but they have wider implications. It is possible that the kind of structures that arise in these cases is present in many other apparently unrelated problems. Before to go on with our considerations, we have to pick in mind two main complementary ideas about complexity. (i) According to the prevalent and usual point of view, the essence of complex systems lies in the emergence of complex structures from the non-linear interaction of many simple elements that obey simple rules. Typically, these rules consist of 0–1 alternatives selected in response to the input received, as in many prototypes like cellular automata, Boolean networks, spin systems, etc. Quite intricate patterns and structures can occur in such systems. However, what can be also said is that these are toy systems, and the systems occurring in reality rather consist of elements that individually are quite complex themselves. (ii) So, this bring a new aspect that seems essential and indispensable to the emergence and functioning of complex systems, namely the coordination of individual agents or elements that themselves are complex at their own scale of operation. This coordination dramatically reduces the degree of freedom of those participating agents. Even the constituents of molecules, i.e. the atoms, are rather complicated conglomerations of subatomic particles, perhaps ultimately excitations of patterns of superstrings. Genes, the elementary biochemical coding units, are very complex macromolecular strings, as are the metabolic units, the proteins. Neurons, the basic elements of cognitive networks, themselves are cells. In those mentioned and in other complex systems, it is an important feature that the potential complexity of the behaviour of the individual agents gets dramatically simplified through the global interactions within the system. The individual degrees of freedom are drastically reduced, or, in a more formal terminology, the factual space of the system is much smaller than the product of the state space of the individual elements. That is one key aspect. The other one is that on this basis, that is utilizing the coordination between the activities of its members, the system then becomes able to develop and express a coherent structure at a higher level, that is, an emergent behaviour (and emergent properties) that transcends what each element is individually capable of. (shrink)

The extent to which normal (nonmalignant) cells of the body can evolve through mutation and selection during the lifetime of the organism has been a major unresolved issue in evolutionary and developmental studies. On the one hand, stable multicellular individuality seems to depend on genetic homogeneity and suppression of evolutionary conflicts at the cellular level. On the other hand, the example of clonal selection of lymphocytes indicates that certain forms of somatic mutation and selection are concordant with the organism-level (...) fitness. Recent DNA sequencing and tissue physiology studies suggest that in addition to adaptive immune cells also neurons, epithelial cells, epidermal cells, hematopoietic stem cells and functional cells in solid bodily organs are subject to evolutionary forces during the lifetime of an organism. Here we refer to these recent studies and suggest that the expanding list of somatically evolving cells modifies idealized views of biological individuals as radically different from collectives. (shrink)

The biomedical literature makes extensive use of the concept of a genetic program. So far, however, the nature of genetic programs has received no satisfactory elucidation from the standpoint of computer science. This unsettling omission has led to doubts about the very existence of genetic programs, on the grounds that gene regulatory networks lack a predetermined schedule of execution, which may seem to contradict the very idea of a program. I show, however, that we can make perfect sense of genetic (...) programs, if only we abandon the preconception that all computers have a von Neumann architecture. Instead, genetic programs instantiate the computational architecture of Post–Newell Production Systems. That is, genetic programs are unordered sets of conditional instructions, instructions that fire independently when their conditions are matched. For illustration I present a paradigm Production System that regulates the functioning of the well-known lac operon of E. coli. On close reflection it turns out that not only genes, but also proteins encode instructions. I propose, therefore, to rename genetic programs to biomolecular programs. Biomolecular and/or genetic programs, and the cellular computers than run them, are to be understood not as von Neumann computers, but as Post–Newell production systems. (shrink)

In 1926, Haldane published an essay titled 'On Being the Right Size' in which he argued that the structure, function, and behavior of an organism are strongly conditioned by the physical forces that exert the greatest impact at the scale at which it exists. This chapter puts Haldane’s insight to work in the context of contemporary cell and molecular biology. Owing to their minuscule size, cells and molecules are subject to very different forces than macroscopic organisms. In a sense, macroscopic (...) and microscopic entities inhabit different “worlds”: the former is ruled by gravity and inertia, whereas the latter is governed by Brownian motion. One implication is that we should be extremely skeptical of models and analogies that seek to explain properties of microscopic entities by appealing to properties of macroscopic ones. Unfortunately, this is precisely what the appeal to engineering metaphors in molecular biology attempts to do. Molecular biologists routinely resort to such metaphors because they are familiar and intuitively intelligible. But if our machines were the size of molecules it would be impossible for them to function the way they do. It follows that we should avoid distorting biological reality by construing it in engineering terms. In this chapter I examine four key metaphors in molecular biology – “genetic program,” “cellular circuitry,” “molecular machine,” and “molecular motor” – and I argue that their deficiencies derive from their neglect of scale. I also try to explain why many biologists today appear to have forgotten the importance of scale that Haldane drew attention to in his essay. I suggest that the reason has to do with the influence of Schrödinger’s argument in 'What is Life?' regarding the stability of the gene. (shrink)

In this essay I seek to critically evaluate some forms of holism and organicism in biological thought, as a more deflationary echo to Gilbert and Sarkar's reflection on the need for an 'umbrella' concept to convey the new vitality of holistic concepts in biology (Gilbert and Sarkar 2000). Given that some recent discussions in theoretical biology call for an organism concept (from Moreno and Mossio’s work on organization to Kirschner et al.’s research paper in Cell, 2000, building on chemistry to (...) articulate what they called “molecular vitalism,” studying the “vitalistic” properties of molecular, cellular, and organismal function, and Pepper and Herron’s suggestion in their 2008 paper that organisms define a category that evolutionary biology cannot do without), the question, what concept of organicism are they calling for? To what extent are such claims philosophically committed to a non-naturalistic concept of organism as organizing centre, as a foundational rather than heuristic concept – or possibly a “biochauvinism,” to use Di Paolo’s term (Di Paolo 2009)? My aim in this paper is to conceptually clarify the forms of holism and organicism that are involved in these cases (and I acknowledge that the study of early 20th-century holisms [Peterson 2010] indicates that not all of them were in fact ‘organicist’ or ‘biologistic’). I suggest that contemporary holists are still potentially beholden to a certain kind of vitalism or “biochauvinism”; but that when they reduce their claims to mere heuristics, conversely, they risk losing sight of a certain kind of organizational “thickness”, a “vital materiality” (Wheeler 2010) which is characteristic of biological systems (Bechtel 2007). And I ask if it is possible to articulate a concept of biological holism or organicism which is neither an empirical ‘biochauvinism’ nor a metaphysical ‘vitalism’? (shrink)

Conventional methods of genetic engineering and more recent genome editing techniques focus on identifying genetic target sequences for manipulation. This is a result of historical concept of the gene which was also the main assumption of the ENCODE project designed to identify all functional elements in the human genome sequence. However, the theoretical core concept changed dramatically. The old concept of genetic sequences which can be assembled and manipulated like molecular bricks has problems in explaining the natural genome-editing competences of (...) viruses and RNA consortia that are able to insert or delete, combine and recombine genetic sequences more precisely than random-like into cellular host organisms according to adaptational needs or even generate sequences de novo. Increasing knowledge about natural genome editing questions the traditional narrative of mutations (error replications) as essential for generating genetic diversity and genetic content arrangements in biological systems. This may have far-reaching consequences for our understanding of artificial genome editing. (shrink)

Talk of different types of cells is commonplace in the biological sciences. We know a great deal, for example, about human muscle cells by studying the same type of cells in mice. Information about cell type is apparently largely projectible across species boundaries. But what defines cell type? Do cells come pre-packaged into different natural kinds? Philosophical attention to these questions has been extremely limited [see e.g., Wilson (Species: New Interdisciplinary Essays, pp 187–207, 1999; Genes and the Agents of Life, (...) 2005; Wilson et al. Philos Top 35(1/2):189–215, 2007)]. On the face of it, the problems we face in individuating cellular kinds resemble those biologists and philosophers of biology encountered in thinking about species: there are apparently many different (and interconnected) bases on which we might legitimately classify cells. We could, for example, focus on their developmental history (a sort of analogue to a species’ evolutionary history); or we might divide on the basis of certain structural features, functional role, location within larger systems, and so on. In this paper, I sketch an approach to cellular kinds inspired by Boyd’s Homeostatic Property Cluster Theory, applying some lessons from this application back to general questions about the nature of natural kinds. (shrink)

All the conserved detailed results of evolution stored in DNA must be read, transcribed, and translated via an RNAmediated process. This is required for the development and growth of each individual cell. Thus, all known living organisms fundamentally depend on these RNA-mediated processes. In most cases, they are interconnected with other RNAs and their associated protein complexes and function in a strictly coordinated hierarchy of temporal and spatial steps (i.e., an RNA network). Clearly, all cellular life as we know (...) it could not function without these key agents of DNA replication, namely rRNA, tRNA, and mRNA. Thus, any definition of life that lacks RNA functions and their networks misses an essential requirement for RNA agents that inherently regulate and coordinate (communicate to) cells, tissues, organs, and organisms. The precellular evolution of RNAs occurred at the core of the emergence of cellular life and the question remained of how both precellular and cellular levels are interconnected historically and functionally. RNA-networks andRNA-communication can interconnect these levels.With the reemergence of virology in evolution, it became clear that communicating viruses and subviral infectious genetic parasites are bridging these two levels by invading, integrating, coadapting, exapting, and recombining constituent parts in host genomes for cellular requirements in gene regulation and coordination aims. Therefore, a 21st century understanding of life is of an inherently social process based on communicating RNA networks, in which viruses and cells continuously interact. (shrink)

Unlike other organs that operate continuously, such as the heart and kidneys, many of the operations of the nervous system shut down during sleep. The evolutionarily conserved unconscious state of sleep that puts animals at risk from predators indicates that it is an indispensable integral part of systems operation. A reasonable expectation is that any hypothesis for the mechanism of the nervous system functions should be able to provide an explanation for sleep. In this regard, the semblance hypothesis is (...) examined. Postsynaptic membranes are continuously being depolarized by the quantally released neurotransmitter molecules arriving from their presynaptic terminals. In this context, an incidental lateral activation of the postsynaptic membrane is expected to induce a semblance (cellular hallucination of arrival of activity from its presynaptic terminal, which forms a unit for internal sensation) of the arrival of activity from its presynaptic terminal as a systems property. This restricts induction of semblance to a context of a very high ratio of the duration of the default state of neurotransmitter-induced postsynaptic depolarization to the total duration of incidental lateral activations of the postsynaptic membrane. This requirement spans within a time-bin of a few sleep-wake cycles. Since the duration of quantal release remains maximized, the above requirement can be achieved only by ceiling the total duration of incidental lateral activations of the postsynaptic membrane, which necessitates a state of sleep. (shrink)

The Gene Ontology is an important tool for the representation and processing of information about gene products and functions. It provides controlled vocabularies for the designations of cellular components, molecular functions, and biological processes used in the annotation of genes and gene products. These constitute three separate ontologies, of cellular components), molecular functions and biological processes, respectively. The question we address here is: how are the terms in these three separate ontologies related to each other? (...) We use statistical methods and formal ontological principles as a first step towards finding answers to this question. (shrink)

Pranayamic breathing, defined as a manipulation of breath movement, has been shown to contribute to a physiologic response characterized by the presence of decreased oxygen consumption, decreased heart rate, and decreased blood pressure, as well as increased theta wave amplitude in EEG recordings, increased parasympathetic activity accompanied by the experience of alertness and reinvigoration. The mechanism of how pranayamic breathing interacts with the nervous system affecting metabolism and autonomic functions remains to be clearly understood. It is our hypothesis that (...) voluntary slow deep breathing functionally resets the autonomic nervous system through stretchinduced inhibitory signals and hyperpolarization currents propagated through both neural and non-neural tissue which synchronizes neural elements in the heart, lungs, limbic system and cortex. During inspiration, stretching of lung tissue produces inhibitory signals by action of slowly adapting stretch receptors (SARs) and hyperpolarization current by action of fibroblasts. Both inhibitory impulses and hyperpolarization current are known to synchronize neural elements leading to the modulation of the nervous system and decreased metabolic activity indicative of the parasympathetic state. In this paper we propose pranayama’s physiologic mechanism through a cellular and systems level perspective,involving both neural and non-neural elements. This theoretical description describes a common physiological mechanism underlying pranayama and elucidate the role of the respiratory and cardiovascular system on modulating the autonomic nervous system. Along with facilitating the design of clinical breathing techniques for the treatment of autonomic nervous system and other disorders, this model will also validate pranayama as a topic requiring more research. (shrink)

According to the current scientific paradigm, what we call ‘life’, ‘mind’, and ‘consciousness’ are considered epiphenomenal occurrences, or emergent properties or functions of matter and energy. Science does not associate these with an inherent and distinct existence beyond a materialistic/energetic conception. ‘Life’ is a word pointing at cellular and multicellular processes forming organisms capable of specific functions and skills. ‘Mind’ is a cognitive ability emerging from a matrix of complex interactions of neuronal processes, while ‘consciousness’ is an (...) even more elusive concept, deemed a subjective epiphenomenon of brain activity. Historically, however, this has not always been the case, even in the scientific and academic context. Several prominent figures took vitalism seriously, while some schools of Western philosophical idealism and Eastern traditions promoted conceptions in which reality is reducible to mind or consciousness rather than matter. We will argue that current biological sciences did not falsify these alternative paradigms and that some forms of vitalism could be linked to some forms of idealism if we posit life and cognition as two distinct aspects of consciousness preeminent over matter. However, we will not argue in favor of vitalistic and idealistic conceptions. Rather, contrary to a physicalist doctrine, these were and remain coherent worldviews and cannot be ruled out by modern science. (shrink)

This paper explores the evolution of consciousness and subjectivity through a biological framework for understanding the universe. It posits that functional patterns in biological systems mirror cosmic mathematical principles, defining our objective reality. Similar to wave and Fibonacci patterns in different physical phenomena, biological patterns are intrinsic to all things and can be quantified using Dedre Gentner’s approach to analogy. For example, Earth’s ocean currents and the melting and freezing of Antarctica resemble the circulatory system and heart, while the production (...) of music from instruments is analogous to ribosomal protein synthesis. Shelves, tables, and chairs function like cytosol by holding objects in space, and a coffee cup mirrors red blood cell distribution. These analogies reveal a universal order rooted in biology’s functional patterns, essential for shaping the emergence and evolution of life. The paper traces the development of consciousness from its rudimentary cellular states to complex human cognition, highlighting the role of biologically-patterned environments in driving evolutionary changes. Organisms that recognized and organized according to these patterns evolved as “pattern recognition engines” crucial for survival—thus, Life (survival) being the primary measure of consciousness. Humans advanced this capacity, gaining cognitive freedom by insulating themselves from environmental constraints, but faced increased subjectivity complexity. Consciousness, while inherently subjective and necessary for cognitive development, evolves in humans to understand objective reality and its biological nature, so to understand and navigate complexities of subjectivity. Ultimately, the paper asserts consciousness is the ability to recognize and adhere to life-sustaining patterns and principles. Successful adherence deems them worthy of continued existence, while failure leads to demise. Parallels with historical concepts like Atman and Brahman in Hinduism suggest ancient recognition of the correspondence between human and universal patterns. This ancient understanding, coupled with modern scientific evidence, reveals the interconnectedness and intrinsic biological nature of reality. (shrink)

This essay explores the creation and evolution of life and consciousness through the lens of a biological framework for understanding the universe. The theory posits that the patterns inherent in biological systems mirror the underlying mathematical principles of the cosmos. Thus, every pattern that manifests from the universe’s “parent-pattern” contains a fundamental biological-pattern inherent to its function, revealing the objective nature and purpose of that thing. Examples include the way ocean currents resemble a circulatory system and how socioeconomic phenomena mimic (...) cellular order. These correspondences suggest that life and consciousness are products of the universe’s biologically-patterned processes, and understanding these patterns is crucial for humanity's survival, especially as human society and environment becomes more complex—requiring a truer understanding of reality reality and how to organize themselves within it. The paper further argues that historical and philosophical concepts, such as Atman and Brahman in the Upanishads, Pnimiyut and Chitzoniyut in Kabbalah (Judaism), Batin and Zahir in Sufism (Islam), and many more align with this framework. The essay emphasizes that aligning human society with these biological patterns, as seen in biomimicry, is necessary for continued survival and harmony with the universe. The essay provides scientific studies and analogies supporting these ideas, illustrating how biological patterns are reflected across different domains of knowledge. (shrink)

Inflammation is activated by diverse triggers that induce the expression of cytokines and adhesion molecules, which permit a succession of molecules and cells to deliver stimuli and functions that help the immune system clear the primary cause of tissue damage, whether this is an infection, a tumor, or a trauma. During inflammation, short-term changes in the expression and secretion of strong mediators of inflammation occur, while long-term changes occur to specific groups of cells. Long-term changes include cellular transdifferentiation (...) for some types of cells that need to regenerate damaged tissue, as well as death for specific immune cells that can be detrimental to tissue integrity if they remain active beyond the boundaries of essential function. The transcriptional regulator NFκB enables some of the fundamental gene expression changes during inflammation, as well as during tissue development. During recurrence of malignant disease, cell stress-induced alterations enable the growth of cancer cell clones that are substantially resistant to therapeutic intervention and to the immune system. A number of those alterations occur due to significant defects in feedback signal cascades that control the activity of NFκB. Specifically, cell stress contributes to feedback defects as it overrides modules that otherwise control inflammation to protect host tissue. NFκB is involved in both the suppression and promotion of cancer, and the key distinctive feature that determines its net effect remains unclear. This paper aims to provide a clear answer to at least one aspect of this question, namely the mechanism that enables a divergent response of cancer cells to critical inflammatory stimuli and to cell stress in general. (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)

GAMETOGÊNESE -/- Emanuel Isaque Cordeiro da Silva Instituto Agronômico de Pernambuco Departamento de Zootecnia – UFRPE Embrapa Semiárido -/- • _____OBJETIVO -/- Os estudantes bem informados, estão a buscando conhecimento a todo momento. O estudante de Veterinária e Zootecnia, sabe que a Reprodução é uma área de primordial importância para sua carreira. Logo, o conhecimento da mesma torna-se indispensável. No primeiro trabalho da série fisiologia reprodutiva dos animais domésticos, foi abordado de forma clara, didática e objetiva os mecanismos de diferenciação (...) sexual dos embriões em desenvolvimento, quais os genes envolvidos nesse processo e tudo mais. Nesse segundo trabalho, a abordagem será teórica, mas também clara, sobre a formação primordial dos gametas femininos e masculinos, através da ovogênese nas fêmeas e a espermatogênese nos machos. Esse trabalho visa levar a importância do processo de formação dos gametas e a produção hormonal das gônadas, bem como o entendimento sobre as interações com o eixo hipotálamo-hipofisário. -/- •____INTRODUÇÃO -/- A reprodução sexual é um processo mediante a qual dois organismos da mesma espécie unem seu material genético para dar lugar a um organismo fixo com combinação única de genes; para isso, cada organismo produz células que contém a metade do material genético característico da espécie. Essas células haploides (1n) são denominadas gametas; ao combinar-se um gameta masculino com um feminino produz-se uma célula diploide (2n) (zigoto ou ovo) a partir da qual se forma o embrião. A grande maioria das espécies com reprodução sexual são anisogâmicas, o que significa que produzem dois tipos de gametas diferentes: os gametas masculinos são microscópios, móveis e produzem-se em grande quantidade, enquanto que os femininos são grandes, imóveis e produzem-se em menor quantidade. O tipo de gameta que um indivíduo produz é o que define seu sexo; sobre os animais o macho é o indivíduo que produz grandes quantidades de espermatozoides e a fêmea produz uma menor quantidade de óvulos, enquanto que nas plantas as gônadas masculinas são as produtoras pólen e as femininas produzem oosferas. Os gametas são diferentes do resto das células do organismo, as quais se chamam células somáticas; essas últimas são diploides porque contém dois pares de cromossomos, um par herdado do pai do indivíduo e o outro da mãe. As células somáticas, ademais, se dividem por mitose, ao qual os cromossomos se duplicam antes de cada divisão celular e cada uma das células filhas recebe um complemento diploide idêntico dos cromossomos, logo todas as células somáticas de um indivíduo possuem o mesmo material genético, embora cada tipo celular expresse diferentes combinações de genes. Em contraponto, os gametas são células haploides porque possuem somente um par de cromossomos e a metade do material genético característico da espécie. Cada um dos cromossomos em um gameta é resultado da recombinação dos genes contidos nos cromossomos paterno e materno do indivíduo que originam o gameta, e cada um destes possuem uma combinação única de genes. Os gametas se formam a partir das células germinais, que são células que em sua origem são diploides e elas de “comprometem” a manter-se como uma linha celular especial que em determinado momento sofrerá o processo de meiose para dar origem aos gametas haploides, sejam óvulos ou espermatozoides segundo o sexo do animal. Como descrito no trabalho sobre a diferenciação sexual, as células germinativas primordiais originam-se no epiblasto do embrião, e migram desde o saco vitelino até colonizar as cristas gonodais, onde, por sua vez, proliferam-se e se organizam junto com as células somáticas da gônada primitiva para formar o testículo ou o ovário. As células germinais masculinas e femininas tem a mesma origem embrionária. As gônadas indiferenciadas em um embrião possuem três tipos celulares: as células que dão origem aos gametas (ovogonia ou espermatogonia), as precursoras de células que nutrem os gametas em desenvolvimento (células da granulosa no ovário; células de Sertoli no testículo) e as precursoras de células que secretam hormônios sexuais (células da teca no ovário; células de Leydig no testículo). As células germinais são as únicas estruturas do organismo que têm a capacidade de dividir-se por meiose sofrendo uma redução no número de seus cromossomos, sendo responsável pela transmissão da carga genética aos descendentes. Em contraste, as células somáticas somente se dividem por mitose. A formação dos gametas compreende fases sequenciais de mitose, meiose e pós-meiose. Esses processos são altamente organizados e necessitam de um preciso e bem coordenado programa de expressão genética. Uma das características importantes da gametogênese é a redução cromossômica, que através da meiose, reduz pela metade o número de cromossomos e produz células distintas entre si, devido a trocas de material genético entre os pares de cromossomos provenientes do pai e da mãe, o que ocorre no processo de “crossing over” durante a primeira fase da meiose. A gametogênese é o processo mediante o qual as células germinais de cada sexo se multiplicam, dividem e diferenciam até formar os gametas. No caso da formação dos gametas masculinos o processo recebe o nome específico de espermatogênese, e para os gametas femininos é denominado como ovogênese. Embora os dois processos alcancem o objetivo comum de produção das células haploides, por onde compartilham algumas características, existem diferenças marcadas entre eles devido a necessidade de produzir um número muito distinto de gametas, de tamanho diferente, e com características de motilidade também distintas. -/- •___ESPERMATOGÊNESE -/- A espermatogênese é o processo mediante o qual se produz os gametas masculinos denominados espermatozoides. Durante a vida fetal as células germinais e as células somáticas do testículo em formação organizam-se em túbulos seminíferos que se derivam dos cordões sexuais primários e conformam a maior parte da medula do testículo. Na etapa fetal cada tubo seminífero é delimitado por uma membrana basal, recoberta na parte interior pelas células precursoras das células de Sertoli (um tipo de células somáticas). No exterior do túbulo localizam-se as células precursoras das células de Leydig ou intersticiais (figura 1), que também são células somáticas. Entre a membrana basal e as células de Sertoli encontram-se algumas células germinais denominadas espermatogonias de reserva A0 (denominadas gonócitos) que serão o único tipo de células germinais presentes no testículo enquanto o animal não alcançar a puberdade. As células de Sertoli estabelecem na região basal uniões oclusoras entre si, formando parte da barreira hemato-testicular. As espermatogonias A0 localizam-se por dentro da membrana basal do túbulo seminífero, embora fora da barreira hemato-testicular. Figura 1: fase neonatal. Nota-se a grande infiltração de tecido intersticial em quase 50% da seção originando que os túbulos sejam pequenos e redondos em sua maioria. O citoplasma e núcleo das células pré-Leydig são notadas claramente por essa ser uma espécie suína onde o tecido intersticial está claramente diferenciado. Hematoxilina-eosina (X 220.5). Fonte: Embrapa. -/- O número de células de Sertoli no testículo depende da influência do hormônio folículo estimulante (FSH) presente durante a vida fetal e as primeiras etapas de vida pós-natal. A população de células de Sertoli ao chegar a puberdade se manterá fixa durante o resto da vida do animal; existe uma relação positiva entre o tamanho e a população de células de Sertoli e a capacidade de produção de espermatozoides do testículo. As células de Sertoli são as únicas células somáticas que estão no epitélio seminífero, e sua função é a nutrição, sustentação e controle endócrino das células germinais. As células de Sertoli participam ativamente no processo de liberação dos espermatozoides para a luz do túbulo. Nesse momento, as células de Sertoli realizam a fagocitose de parte do citoplasma do espermatozoide dos chamados corpos residuais. As células de Sertoli também fagocitam as células germinais que se degeneram no curso normal da espermatogênese. Essas células ainda sintetizam grande quantidade de proteínas, como por exemplo as proteínas ABP (androgen hinding protein), que transportam andrógenos para todo o aparelho reprodutivo, transferrinas, que transportam ferro para a respiração celular das células germinais e também às inibinas, que regulam a liberação de FSH pela hipófise, através de um sistema de retroalimentação (feedback) negativa (figura 2). Figura 2: epitélio seminífero, células de Sertoli (flecha) (400 X). Fonte: Embrapa. -/- Antes da puberdade dos túbulos seminíferos observam-se ao corte como estruturas de diâmetro pequeno, sem luz, e conformados unicamente pelas células de Sertoli e espermatogonias de reserva e rodeados por abundante tecido intersticial, ao que estão presentes as células precursoras das células de Leydig. Ainda antes da puberdade, a diferenciação celular manifesta-se primeiro pela presença de espermatócitos primários, os quais se degeneram em geral na fase de paquíteno, por falta de estimulação hormonal. A partir de que o animal chega a puberdade inicia-se o processo de espermatogênese, que se manterá durante toda a vida do animal, exceto em espécies de animais silvestres muito estacionais, ao qual pode se suspender durante a época não reprodutiva para voltar e ser retomada na época ou estação reprodutiva. Depois da puberdade, os túbulos seminíferos possuem um diâmetro muito maior; em seu interior observa-se um grande número de células germinais de todos os tipos, diferentes estádios de divisão, e em seu lúmen contém líquido e espermatozoides. Ainda sobre o alcancei da puberdade, as espermatogonias começam a dividir-se aceleradamente por mitose, enquanto que no espaço intersticial as células mesenquimais também começam a se diferenciar e a dar origem as células de Leydig (figura 3). A partir dessa etapa as células de Leydig (totalmente diferenciadas) são também evidentes no exterior do túbulo, junto com as células mioides ou peritubulares que o rodeiam o que ao contrair-se são responsáveis por controlar o avanço dos fluidos e as células presentes no lúmen do túbulo. As células mioides estão situadas ao redor do túbulo, e é creditado a elas a promoção da contração e da integridade estrutural do túbulo. Esse tipo celular apenas se diferencia na puberdade pela ação dos andrógenos (figura 4). As interações entre as células de Sertoli e as mioides parecem ter um papel importante na manutenção das funções do testículo. Durante o processo de espermatogênese, as espermatogonias de reserva dividem-se periodicamente e enquanto algumas células fixas permanecem como espermatogonias de reserva, outras proliferam e sofrem uma seção de divisões mitóticas durante as quais se vão diferenciando até formarem espermatócitos primários (espermatocitogênese ou fase de mitose), logo sofrem divisões especiais mediante as quais reduzem seu número de cromossomos (fase de meiose), e ao final trocam de forma para converter-se em espermatozoides (espermatocitogênese) (figura 5). Cada uma dessas etapas da espermato- gênese será descrito detalhadamente adiante, antes é necessário a explicação de algumas características das células de Sertoli e de Leydig que ajudarão a entender seu papel durante a espermatogênese. Figura 3: células de Leydig no espaço intersticial do testículo bovino adulto PAS (400 X). Fonte: Embrapa. -/- Figura 4: o estabelecimento da puberdade pela presença de espermatozoides no túbulo. Hematoxilina-eosina (400 X). Fonte: Embrapa. Figura 5: fases mitóticas das espermatogonias (A0 e B) para formação de um espermatócito primário e as duas fases de meiose que se sucedem antes da espermatogênese. Fonte: ZARCO, 2018. -/- Ao início da espermatocitogênese as uniões oclusoras entre as células de Sertoli se abrem por etapas (como as comportas de um submarino) para permitir a passagem das espermatogonias em direção ao centro do túbulo seminífero sem que se estabeleça uma continuidade entre o exterior e o interior da barreira hemato-testicular. Uma vez ultrapassada essa barreira, as sucessivas gerações de espermatogonias, espermatócitos, espermátides e espermatozoides irão se localizar em direção ao interior do túbulo seminífero, em estreita associação com as células de Sertoli. Em consequência, as células de Sertoli dividem o túbulo seminífero em dois compartimentos; o compartimento basal (debaixo das uniões oclusoras das células de Sertoli), ao qual residem as espermatogonias de reserva, e o compartimento adluminal (em direção ao centro do túbulo), cujos espaços entre as células de Sertoli desenvolvem o resto do processo de espermatogênese (meiose e espermatocitogênese). Esse feito é importante porque durante a vida fetal as únicas células germinais existentes eram as espermatogonias de reserva, pelo que os antígenos expressados por gerações mais avançadas (espermatogonias intermediárias, secundárias, espermátides e espermatozoides) não são reconhecidos como próprios do corpo pelo sistema imunológico. Logo, o anterior implica que deve existir uma barreira entre eles e o sangue para evitar um ataque imunológico. Em todas as etapas da espermatogênese, as células de Sertoli atuam como células de suporte para as células germinais, que sempre permanecem recoberta pela membrana das células de Sertoli. Também atuam como células nutricionais já que proporcionam o meio em que as células germinais se desenvolvem e maturam, assim como as substâncias que regulam e sincronizam as sucessivas divisões e transformações das células germinais. As células de Sertoli produzem hormônios, como estrógenos e inibina que atuam sobre a hipófise para regular a secreção das gonadotropinas que controlam a espermatogênese. As células de Leydig que residem no exterior do túbulo seminífero também são importantes para a espermatogênese: produzem a testosterona que estimula e mantém a espermatogênese, bem como serve como substrato sobre o qual atua como aromatizador das células de Sertoli para transformá-las em estrógenos. Como supracitado, para seu estudo podemos dividir a espermatogênese em três fase: espermatocitogênese, meiose e espermiogênese (figura 6). Agora, serão descritas cada uma dessas etapas. Em algumas espécies, incluindo no homem, os macrófagos representam o segundo tipo celular intersticial mais numeroso no testículo, depois das células de Leydig. Os macrófagos e vários subtipos de linfócitos são identificados nós testículos de ovinos e ratos. Eles estão intimamente associados com as células de Leydig e atuam juntamente na regulação da esteroidogênese. Figura 6: fluxograma da espermatogênese. -/- Espermatocitogênese -/- A espermatocitogênese, também chamada de etapa proliferativa ou de mitose, consiste numa série de divisões mitóticas sofridas pelas células descendentes de uma espermatogonia de reserva. Uma vez que a célula se divide, abandona o estado de reserva e começa um processo de diferenciação. As espermatogonias de reserva (denominadas espermatogonias A0 na rata ou As nos humanos) são células que existem desde a vida fetal e que permanecem mitoticamente inativas durante a infância. Uma vez que alcançam a puberdade começam a dividir-se em intervalos regulares, e as células filhas podem permanecer como espermatogonias de reserva ou abandonar a reserva e ingressar na dita espermatocitogênese. Uma vez abandonada a reserva, as células filhas que vão se formando em cada divisão permanecem unidas por pontes citoplasmáticas, constituindo um clone que se divide sincronicamente. As células que se formam depois de cada divisão continuam sendo espermatogonias, porém cada geração é ligeiramente diferente da anterior. Na rata, por exemplo, as espermatogonias tipo A0 ao dividir-se originam espermatogonias do tipo A1, que em sucessivas divisões formam espermatogonias dos tipos A2, A3 e A4, as quais, por sua vez, sofrem outra mitose para formar espermatogonias intermediárias e uma mais para formar espermatogonias do tipo B. Essas últimas se diferenciam (sem se dividir) em espermatócitos primários, processo em que termina a fase de espermatocitogênese, que literalmente significa processo de geração de espermatócitos. As espermatogonias tipo A0 são a fonte para a contínua produção de gametas. A metade delas se dividem e formam células iguais (as chamadas células tronco) e a outra metade forma as espermatogonias A1, que sofre novas divisões mitóticas e formam os tipos 2, 3 e 4. O tipo A4 sofre mitose para formar a intermediária (A In), que por mitose, forma a tipo B (figura 6). Esses tipos de espermatogonias podem ser identificadas em evoluções histológicas de acordo com sua organização topográfica na membrana basal dos túbulos seminíferos ou mediante seu conteúdo de heterocromatina. Outra maneira de diferenciação se baseia em marcadores moleculares específicos que distinguem as espermatogonias tronco (A0) das demais, com os fins de isolamento, desenvolvimento in vitro e transplante. As tipo B passam por mitose para formarem os espermatócitos primários; estes iniciam a primeira etapa da meiose formando os espermatócitos secundários; na segunda etapa da divisão meiótica, cada espermatócito secundário se divide e formam as chamadas espermátides. Quando o testículo alcança seu desenvolvimento total, a meiose completa-se e as espermátides originadas se convertem em espermatozoides. Um dos maiores sinais característicos desse fenômeno é o alargamento das espermátides e sua migração em direção ao lúmen do túbulo seminífero (figuras 4, 7 e 8). Figura 7: espermatogonias marcadas por imuno-histoquímica, anticorpo monoclonal TGFa (400 x). Figura 8: fases de divisões meióticas (M), espermatócitos em paquíteno (PA) e espermatócitos secundários (ES). -/- Figura 9: estádio posterior a liberação dos espermatozoides na luz do túbulo. Hematoxilina-eosina (400 x). Mediante as seis divisões mitóticas que ocorrem durante a espermatocitogênese se forma potencialmente um clone de 64 espermatócitos primários a partir de cada espermatogonia A que ingressa sobre o processo. Não obstante, algumas células sofrem apoptose em cada uma das etapas do processo, ao qual o número real formado é menor. Em outras espécies produzem-se um transcurso similar de divisões mitóticas sucessivas durante a espermatocitogênese, embora a nomenclatura utilizada possa ser distinta, por exemplo nos bovinos as duas últimas divisões mitóticas dão origem as espermatogonias de tipo B1 e B2. -/- Meiose -/- Uma vez que as espermatogonias B se diferenciam em espermatócitos primários, esses iniciam a etapa de meiose, com uma nova divisão; desta vez a divisão é do tipo meiótica. Ao completar-se a primeira divisão meiótica (meiose I) se obtém os espermató-citos secundários, que ao sofrer a segunda divisão meiótica (meiose II) dão origem as espermátides. Vale salientar que a meiose é o processo mediante o qual reduz-se a metade do número de cromossomos, pelo que as espermátides que se obtém são células haploides (1n). Os espermatócitos secundários que se formam depois da primeira divisão meiótica contém a metade do número normal de cromossomos, porém a mesma quantidade de DNA já que cada cromossomo é duplo. As espermátides formadas na conclusão da segunda divisão meiótica (figura 7), por sua vez, contém a metade dos cromossomos, e esse já não são duplos, já que se trata de células 1n. Também deve-se enfatizar que durante a meiose é relevante o entrecruzamento dos cromossomos homólogos, pelo que cada espermátide possui uma combinação única e diferente de genes paternos e maternos. Outro ponto que deve ser levado em consideração é que cada espermátide somente possui um cromossomo sexual; a metade das espermátides contém o cromossomo X herdado da mãe do macho que está levando a cabo a espermatogênese e a outra metade contém o cromossomo Y herdado de seu pai. Para cada espermatócito primário que entra no processo de meiose obtém-se cerca de quatro espermátides, pelo qual ao ser completada a meiose potencialmente se poderiam formar até 256 espermátides por cada espermatogonia que abandona a reserva e ingressa na espermatocitogênese. -/- Espermiogênese -/- Durante a espermiogênese, também chamada de fase de diferenciação, as esper-mátides sofrem, sem se dividir, uma metamorfose que as transforma em espermatozoides, os quais finalmente são liberados das células de Sertoli em direção ao lúmen do túbulo seminífero. A espermiogênese é um processo complicado e longo já que a espermátide deve sofrer complexas trocas nucleares, citoplasmáticas e morfológicas que resultam na forma-ção dos espermatozoides. Algumas dessas mudanças incluem a condensação do material nuclear para formação de um núcleo plano e denso, a eliminação do citoplasma para a constituição de uma célula pequena, a formação de uma estrutura especializada denomi-nada acrossomo ou tampa cefálica, e a formação do pescoço e da cauda (flagelo) do esper-matozoide, do que depende a sua motilidade. Durante a maior parte da espermiogênese, as espermátides se mantém com uma estreita associação com as células de Sertoli; logo, chega-se a observar, então, flagelos que se projetam em direção a luz do túbulo que pare-cem sair das células de Sertoli, sendo na realidade os flagelos dos espermatozoides que ainda não tinham sido liberados pelo lúmen. Ao liberar os espermatozoides em direção a luz do túbulo, as células de Sertoli realizam a fagocitose de parte do citoplasma dos espermatozoides (corpos residuais). Também fagocitam os restos de todas as células germinais que sofrem apoptose ou degeneram-se durante a espermatogênese. Credita-se que ao realizar essas funções as células de Sertoli podem fazer uma monitoração eficiente da espermatogênese, o que lhes permitiria emitir sinais para colaborar na regulação desse processo em nível gonodal e a nível sistêmico através da secreção de hormônios como a inibina e o estradiol. Além da inibina e activina, as células de Sertoli sintetizam outras proteínas, como a ABP (proteína ligadora de andrógenos) que serve como uma molécula de transporte de andrógenos dentro dos túbulos seminíferos, ductos deferentes e epidídimo, ou a transfer-rina, que transporta o ferro necessário para a respiração celular. -/- Resultados da espermatogênese -/- O resultado da espermatogênese não significa apenas uma simples multiplicação das células germinais (até 256 espermatozoides a partir de cada espermatogonia A1), senão que através dela são produzidos gametas haploides pequenos, móveis e com grande diversidade genética entre eles, ao mesmo tempo que se mantêm uma reversa de células mãe (espermatogonias A0) a partir das quais se poderiam originar novos ciclos de esper-matogênese durante o resto da vida do animal. -/- Controle hormonal da espermatogênese -/- Como mencionado, o FSH reproduz um importante papel para o estabelecimento das células de Sertoli durante a vida fetal e início da vida pós-natal. O começo da esper-matogênese também é estimulado pelo FSH, que atua sobre as células de Sertoli para estimular sua função e a ativação de sinais dessas células em direção as células germinais, incluindo-as a abandonar a reserva e ingressar na espermatogênese. O FSH, assim mesmo, estimula a mitose durante o resto da espermatogênese e aumenta a eficiência do processo, já que reduz a apoptose e a degeneração de espermatogonias intermediárias e do tipo B. O FSH também estimula as células de Sertoli para produzirem inibina e ABP. Uma vez iniciada a espermatogênese somente requerem níveis baixos de FSH para se mantê-la. As células de Sertoli também devem ser estimuladas pela testosterona para funcio-nar de maneira adequada; se requer também do LH hipofisário: hormônio que estimula as células de Leydig para produzir testosterona. Por sua vez, a secreção de LH e FSH é regulada pelo GnRH hipotalâmico: esse neurohormônio também faz parte do mecanismo de regulação da espermatogênese. A espermatogênese também é modulada em nível local mediante a produção de determinados fatores e interações entre as células. Dentro dos fatores locais podemos mencionar o fator de crescimento parecido com a insulina 1 (IGF-1), o fator de crescimen-to transformante beta (TGF- β), activina, ocitocina e diversas citocinas. Entre as intera-ções celulares existem tanto uniões de comunicação entre as células de Sertoli e as células germinais, como pontes citoplasmáticas entre todas as células germinais que formam o clone de células descendentes de uma espermatogonia A1. Uma vez que as células de Sertoli iniciam sua função na puberdade é possível manter experimentalmente a espermatogênese somente com testosterona, sem ser requeri-dos nenhum outro hormônio. A quantidade de espermatozoides produzidos, no entanto, é maior quando há presença do FSH. Abaixo do estímulo do FSH as células de Sertoli produzem estradiol e inibina, hormônios que geram uma retroalimentação sobre o eixo hipotálamo-hipofisário para a regulação da secreção de gonadotropinas. Em particular, a inibina reduz a secreção de FSH, pelo qual é factível que sirva como um sinal que evite uma excessiva estimulação as células de Sertoli. -/- Ciclo do epitélio seminífero -/- Em cada espécie as espermatogonias de reserva iniciam um novo processo de divi-sões celulares em intervalos fixos: a casa 14 dias no touro; 12 dias no garanhão e a cada 9 dias no cachaço (reprodutor suíno). A nova geração de células que começam a proliferar sobre a base do tubo deslocam-se em direção ao centro do túbulo a geração anterior, que por sua vez deslocam-se as gerações anteriores. Devido as mudanças que vão sofrendo cada geração celular se ajustam a tempos característicos de cada etapa, já que rodas as células em uma determinada seção do túbulo estão sincronizadas entre si pelas células de Sertoli; em cada espécie somente é possível encontrar um certo número de combinações celulares: 14 diferentes combinações no caso da rata, 8 no touro e 6 no ser humano. A sucessão de possíveis combinações até regressar a primeira combinação se conhece como o ciclo do epitélio seminífero. Na maioria das espécies os espermatozoides que são libera-dos em direção a luz do túbulo provém das células que entraram no processo de esperma-togênese quatro gerações antes que a geração que está ingressando nesse momento, pelo que a espermatogênese no touro dura ao redor de 60 dias e um pouco menos em outras espécies domésticas. Significa que os efeitos negativos das alterações na espermatogêne-se podem estar presentes até dois meses depois de que se produziram essas alterações. Como supracitado, geralmente se observa a mesma combinação celular em toda a área de uma determinada secção transversal do túbulo seminífero. No entanto, se fizermos uma série de secções, observa-se que ao longo do túbulo há uma sucessão ordenada de combinações (a primeira em uma determinada secção; a segunda combinação na seguinte secção, e assim sucessivamente em secções subsequentes até regressar a primeira combi-nação. Teremos, então, que ao início da divisão das espermatogonias A1 se produz de forma sincronizada em uma secção do túbulo, e vai-se transmitindo como uma onda peristáltica as secções adjacentes. Esse processo é denominado como onda do epitélio seminífero e graças à esse túbulo seminífero sempre tem secções em todas as etapas da espermatogênese, com o que se alcança uma produção constante de espermatozoides. -/- Alterações da espermatogênese -/- Nas espécies estacionais a espermatogênese, como já mencionado, pode reduzir-se ou inclusive suspender sua atividade fisiológica durante a época não reprodutiva dessas espécimes, porém esse processo fisiológico não pode ser considerado como uma altera-ção. No entanto, a espermatogênese só pode ser alterada pelas enfermidades ou por fatores externos. A principal causa de alterações na espermatogênese é o aumento da temperatura testicular. Por isso, os testículos são localizados na saco escrotal e são “caídos” para fora do corpo como pode-se observar nos bovinos, caprinos, ovinos, caninos e no próprio homem. A temperatura testicular deve estar cerca de 2 a 6 °C abaixo da temperatura corporal normal. As células germinais masculinas são sensíveis ao calor, pelo qual na maioria dos mamíferos os testículos se encontram fora da cavidade abdominal e existe um sofisticado sistema de termorregulação para mantê-los a uma temperatura menor que a corporal. Se a temperatura corporal for elevada ou se os testículos permanecerem na cavidade abdominal, ou ainda se os sistemas termorreguladores do testículo sejam afetados por fatores inflamatórios como edema ou falta de mobilidade testicular dentro do escroto, a temperatura do tecido testicular aumentará e a espermatogênese sofrerá alterações proporcionais ao excesso de temperatura e a duração da elevação. A espermatogênese também pode ser afetada pela exposição a hormônios ou a outras substâncias. É possível que a causa mais comum (sobretudo no homem) seja o uso de esteroides anabólicos, que elevam a concentração de andrógenos na circulação, provo-cando um feedback negativo sobre a secreção de gonadotropinas. Ao deixar de estimular-se o testículo pelas gonadotropinas, este deixará de produzir testosterona, e as concentra-ções de andrógeno exógeno nunca alcançará as altíssimas concentrações de testosterona que normalmente estão presentes a nível do tecido testicular por ser o local onde se produz o hormônio. Também se supõe que diversas substâncias com propriedades estrogênicas derivadas de processos industriais (indústria dos plásticos, hidrocarbonetos etc.) e presentes no ambiente (fatores xenobióticos) podem ser responsáveis pelas alterações na espermatogênese em diversas espécies, entre as quais se inclui o ser humano. -/- • OVOGÊNESE E FOLICULOGÊNESE -/- A ovogênese é o processo seguido pelas células germinais da fêmea para a forma-ção dos óvulos, que são células haploides. Durante a vida fetal as células germinais proliferam-se no ovário por mitose, formando um grande número de ovogonias, algumas das quais se diferenciam em ovócitos primários que iniciam sua primeira divisão meiótica para deter-se na prófase da divisão. Somente alguns desses ovócitos primários retornarão e concluirão a primeira divisão meiótica em algum momento da vida adulta do animal, dando origem a um ovócito secundário e a um corpo polar. O ovócito secundário inicia a sua segunda divisão meiótica, a qual volta a ficar suspensa até receber um estímulo apropriado, já que somente os ovócitos secundários que são ovulados e penetrados por um espermatozoide retornam e concluem a segunda divisão meiótica, dando origem a um óvulo (figura 10). O processo de ovogênese é realizado dentro dos folículos ovarianos, que também tem que sofrer um longo transcurso de desenvolvimento e diferenciação denominado foliculogênese pelo que a ovogênese como tal realiza-se dentro do marco desse último processo. Por essa razão, na seguinte seção descreverei tanto a ovogênese como a folicu-logênese, e a relação que existe entre ambos. Figura 10: representação da ovogênese. Na etapa de proliferação, as células germinais se diferen-ciam por mitose. A meiose I se caracteriza por uma prófase prolongada, ocorrendo a duplicação do DNA. Nas duas divisões, que ocorrem antes da ovulação e depois da fertilização, a quantidade de DNA é reduzida a 1n, com o fim de que a fusão dos pronúcles (singamia) pós-fertilização, seja gerado um zigoto com um número de cromossomos de 2n (diploide). -/- Geração de ovócitos primários e folículos primordiais Tanto a ovogênese como a foliculogênese iniciam-se durante a vida fetal, quando as células germinais primordiais provenientes do saco vitelino colonizam a gônada primitiva e, junto com as células somáticas z organizam-se para a formação dos cordões sexuais secundários, que se desenvolvem principalmente no córtex do ovário. Nesse período, as células germinais que colonizaram o ovário sofrem até 30 divisões mitóticas, proliferando-se até formar milhares ou milhões de ovogonias, que inicialmente formam “ninhos” constituídos cada um deles por um clone de várias ovogonias que descendem da mesma célula precursora e que se mantêm unidas por pontes citoplasmáticas, sincronizan-do suas divisões mitóticas. Nessa etapa alcança-se a máxima população de células germinais no ovário, que antes de nascer se reduzirá drasticamente por apoptose. No ovário do feto humano chegam a haver até sete milhões de células germinais que ao nascimento se reduzem a dois milhões. Os ovários fetais do bovino, de maneira análoga, chegam a ter até 2.100.000 células germinais, que ao nascimento reduzem para 130.000 aproximadamente. A redução no número de ovogonias produz-se ao mesmo tempo que essas células, que vêm dividindo-se por mitose e estão agrupadas em ninhos, iniciam sua primeira divisão meiótica para se transformarem em ovócitos primários: células germinais que se encontram em uma etapa de suspensão (diplóteno) da prófase da primeira divisão meiótica. Nesse período produz-se uma grande proporção de células germinais; as células somáticas dos cordões sexuais, por sua vez, emitem projeções citoplasmáticas que separam a isolam os ovócitos primários sobreviventes, ficando cada um deles rodeados por uma capa de células aplanadas da (pré) granulosa. Ao mesmo tempo em que se forma uma membrana basal entre as células da granulosa e o tecido intersticial do ovário. Ao ovócito primário rodeado de uma capa de células da (pré) granulosa aplanadas e delimita-das por uma membrana basal denomina-se de folículo primordial (figura 11). Nas vacas os folículos primordiais bem formados já estão presentes nos ovários a partir do dia 90 da gestação. A maioria dos folículos primordiais com os que nasce uma fêmea se manterão inativos durante um longo tempo; muitos deles durante toda a vida do animal. Nos folículos primordiais inativos tanto os ovócitos primários como as células da granulosa conservam sua forma original e mantém um metabolismo reduzido estritamente ao mínimo necessário para manter-se viáveis. Por essa razão, ao realizar um corte histológico de qualquer ovário as estruturas mais numerosas que se observam serão os folículos primordiais. No entanto, cada dia da vida de um animal, inclusive desde a vida fetal, um certo número de folículos primordiais reiniciam seu desenvolvimento, e a partir desse momento um folículo exclusivamente pode ter dois destinos: o primeiro, prosseguir seu desenvolvi-mento até chegar a ovular, e o segundo (que é muito mais frequente) encontrar em algum momento condições inadequadas que fazem fronteira com ele para parar seu desenvolvi-mento, levando-o a sofrer atresia e degenerar até desaparecer do ovário. Figura 11: sequência da foliculogênese apresentando as diferentes estruturas que podemos encontrar em cada fase. Fonte: ZARCO, 2018. Culminação da ovogênese A ovogênese somente se completará quando um ovócito primário reinicia a meio-se; completa sua primeira divisão meiótica para formar um ovócito secundário e um primeiro corpo polar e, quando, finalmente sofrer uma segunda divisão meiótica para formar um óvulo e um segundo corpo polar. Os óvulos são as células 1n que constituem os gametas femininos, pouco numerosos, grandes e imóveis. A grande maioria dos ovóci-tos primários, como veremos mais adiante, nunca retomam a meiose e, em consequência, não chegam a formar ovócitos secundários, e muitos dos ovócitos secundários tampouco sofrem uma segunda divisão meiótica, pelo que não chegam a formar os óvulos. Ao longo da vida de uma fêmea, na maioria das espécies, menos de 0,1% dos ovócitos primários (um a cada mil) chega a terminar a ovogênese, dando origem a um óvulo. O supracitado deve-se a que a ovogênese somente pode retomar-se e ser completa-da em ovócitos primários que se encontram dentro dos folículos primordiais que (uma vez ativados) vão alcançando diversas etapas de seu desenvolvimento em momentos precisos aos que encontram as condições ideais de oxigenação, nutrição, vascularização e exposição a fatores parácrinos e a exposição a concentrações de hormônios que se requerem para que o folículo continue em cada etapa de seu desenvolvimento com o processo de foliculogênese até chegar a ovular. Qualquer folículo que não esteja nessas condições ao longo do desenvolvimento sofrerá degeneração e atresia, pelo que o ovócito primário em seu interior nunca chegará ao ponto em que pode retomar a primeira divisão meiótica. No que resta da presente seção revisaremos o processo de foliculogênese em cujo marco se desenvolve a ovogênese; havemos que tomar de conta que essa última se limita ao que ocorre nas células germinais (ovogonia, ovócito primário, secundário e óvulo), pelo qual depende intimamente do desenvolvimento do folículo de que essas células formam parte. Em um princípio a ativação do folículo primordial e o desenvolvimento folicular são independentes das gonadotropinas: não se conhecem os mecanismos precisos median-te os quais um folículo primordial se ativa e reinicia seu desenvolvimento, nem como se decide quais folículos, dentre as dezenas de milhares de ou centenas de milhares presentes em um ovário se reativarão em um dia em particular. A reativação trata-se de uma liberação de influência de fatores inibidores, já que os folículos primordiais se reativam espontaneamente quando cultivados in vitro, isolados do resto do tecido ovariano. Uma vez que um folículo primordial se ativa, inicia-se um longo processo de desenvolvimento que somente depois de vários meses (ao redor de cinco meses no caso dos bovinos) o levará a um estádio em que seu desenvolvimento posterior requer a presença das gonado-tropinas; daí que se diz que as primeiras etapas do desenvolvimento são independentes das gonadotropinas. Durante a fase independente de gonadotropinas, um folículo primordial que tenha sido ativado e tenha começado a crescer; passará primeiro para a etapa de folículo primá-rio, caracterizada por conter um ovócito primário que está rodeado, por sua vez, por uma capa de células da granulosa, que não são planas, e sim cúbicas. Depois, se o folículo continuar crescendo se transformará em um folículo secundário, ao qual as células da granulosa começam a proliferar (aumentando em número) e se organizam em duas ou mais capas que rodeiam o ovócito primário. Entre o ovócito e as células da granulosa que o rodeiam se forma nesta uma zona pelúcida; ainda assim o ovócito mantém contato direto com essas células, mediante o estabelecimento de pontes citoplasmáticas que atravessam a zona pelúcida. Através dessas pontes citoplasmáticas as células da granulosa podem passar nutrientes e informação ao ovócito primário. O volume e o diâmetro do ovócito primário aumentam ao mesmo tempo que as células da granulosa proliferam-se, para incrementar as capas ao redor do ovócito. De maneira gradual o citoplasma do ovócito primário aumenta até 50 vezes seu volume e a proliferação das células continua. Esses folículos que possuem cada vez mais células e portanto mais capas de células da granulosa se denominam folículos secundários. Para evitar confusões, há a necessidade de nomen-clatura ao qual o folículo vá mudando de nome de primordial a primário e logo, de secun-dário, a terciário, por sua vez, o ovócito que encontra-se em seu interior, a todo momento, segue sendo um ovócito primário. Durante a etapa dependente de gonadotropinas, os folículos secundários começam a formar um espaço cheio de líquido, o antro folicular, desse modo se convertem em folí-culos terciários. Com a utilização de outra nomenclatura, a formação do antro marca a transição entre folículos pré-antrais (sem antro) e folículos antrais (com antro). Em algum momento dessa transição entre folículo secundário e terciário, também aparece a depen-dência de folículos em direção as gonadotropinas, pelo qual somente podem seguir crescendo na presença do hormônio luteinizante (LH) e do hormônio folículo estimulante (FSH). Nos bovinos e em outras espécies (para seu estudo), os folículos antrais são dividi-dos em pequenos, médios e grandes. Embora todos eles possuam um antro folicular, dependendo do seu grau de desenvolvimento requerem diferentes concentrações de gona-dotropinas para continuar o crescimento. Os folículos antrais mais pequenos somente re-querem concentrações baixas de LH e FSH, pelo qual podem continuar crescendo em qualquer momento do ciclo estral inclusive em animais que não estão ciclando (fêmeas em anestro pré-puberal, gestacional, lactacional, estacional). Nas etapas posteriores os folículos antrais requerem primeiro concentrações elevadas de FSH, e nas etapas finais somente podem continuar crescendo na presença de pulsos frequentes de LH, pelo qual somente os folículos que encontram-se sob concentrações apropriadas desses hormônios podem seguir crescendo. Por essa razão, nos animais que se encontram em anestro de qualquer tipo somente é possível encontrar folículos antrais pequenos ou médios, segundo a espécie, e nos animais que se encontram ciclando (estro) o maior tamanho folicular encontrado em um determinado dia do ciclo dependerá das concentrações de FSH e LH presentes nesse momento e nos dias anteriores. Um folículo que chega ao estado máximo de desenvolvimento, conhecido como folículo pré-ovulatório, ao final, somente chegará a ovular se for exposto a um pico pré-ovulatório de LH. Como supracitado, cada dia na vida de uma fêmea inicia seu desenvolvimento um certo número de folículos; a grande maioria sofrem atresia, mas depois da puberdade em cada dia do ciclo estral um ou vários folículos vão encontrando ao longo do seu desenvol-vimento concentrações hormonais que lhes permite chegar na etapa de folículo pré-ovula-tório. Somente nestes folículos, e como consequência de um pico pré-ovulatório de LH, se reinicia e completa-se a primeira divisão meiótica do ovócito primário, produzindo duas células distintas. Uma delas é o ovócito secundário, que retém praticamente todo o citoplasma. Contém, assim mesmo, em seu núcleo um par de cromossomos duplos, a outra é o primeiro corpo polar, que é exclusivamente um núcleo com uma quantidade mínima de citoplasma. Na maioria das espécies ovula-se um ovócito secundário que se encontra, então, suspendido na segunda divisão meiótica. Esta segunda divisão meiótica somente reinicia-rá e completarar-se uma vez que o espermatozoide começa a penetrar sob o ovócito secundário. Ao concluir-se a divisão se forma o segundo corpo polar e completa-se a ovogênese com o qual se obtém o óvulo, célula 1n que constitui o gameta feminino. No entanto, o óvulo existe pouco tempo como tal, já que em poucos minutos/horas (depen-dendo da espécie) se produzirá a fusão do núcleo do mesmo (pró-núcleo feminino) com o do espermatozoide (pró-núcleo masculino), com o qual se completa a fertilização e se forma um novo indivíduo (o ovo ou zigoto). -/- Ondas foliculares -/- Como mencionado supra, todos os dias um determinado número de folículos pri-mordiais se ativam e começam a crescer, os quais crescem em um ritmo característico em cada espécie. Isso provoca que em qualquer momento existam nos ovários folículos pri-mordiais (que começam a crescer em alguns dias ou semanas), assim como folículos secundários em diversas etapas do desenvolvimento, os quais iniciaram seu desenvolvi-mento em semanas ou inclusive meses (segundo o grau de desenvolvimento atual). Também em qualquer momento poderá haver folículos antrais nas etapas iniciais de seu desenvolvimento (com antros que já se podem detectar em cortes histológicos mas não são visíveis macroscopicamente). Todos esses folículos chegaram até seu estado de de-senvolvimento atual (primário, secundário ou antral pequeno), independente da etapa do ciclo estral em que sejam observados ou encontrados. Nos bovinos, os folículos que chegam ao início da etapa antral iniciaram seu desenvolvimento cinco meses antes, e todavia requerem ao redor de 42 dias para chegar ao estado pré-ovulatório. Para continuar seu desenvolvimento, os folículos antrais pequenos devem encon-trar concentrações altas de FSH, que os estimulam para prosseguir o crescimento. Cada vez que se produz uma elevação nas concentrações de FSH, esse hormônio estimula o desenvolvimento de um grupo de folículos antrais pequenos, que começaram a crescer muito tempo antes e que o dia da elevação de FSH tenha alcançado o grau de desenvolvi-mento preciso para responder com eficiência a este hormônio, o qual atuará através de seus receptores nas células da granulosa para estimular a produção de estradiol, a secreção de inibina, a produção de líquido folicular e a proliferação das células da granulosa. Um grupo de folículos antrais pequenos é assim recrutado pelo FSH para acelerar seu cresci-mento e aumentar sua produção de estradiol e inibina (figura 12). Mediante um seguimento ultrassonográfico dos ovários é possível identificar pou-cos dias depois um certo número de folículos, que por haver sido recrutados começam um período de crescimento acelerado. Durante alguns dias vários folículos crescem juntos, porém depois um deles é selecionado para continuar crescendo, enquanto que o restante do grupo deixam de fazê-lo e terminam sofrendo atresia. Através da ultrassom é possível identificar o folículo selecionado, agora chamado folículo domi-nante, já que sua trajetória de crescimento sofre um desvio com respeito a seguida pelo restante do grupo. Os folículos que não foram selecionados deixam de crescer e sofrem atresia já que deixam de possuir o suporte gonadotrópico de FSH, uma vez que as concentrações desse hormônio são suprimidos pela inibina e o estradiol produzidos pelo conjunto de folículos que conformam a onda folicular (figura 12), porém o folículo mais desenvolvido do grupo se converterá em dominante. A inibina atua diretamente a nível hipofisário para reduzir a secreção de FSH. Figura 12: onda folicular e relação dos níveis de FSH, estradiol e LH. Fonte: ZARCO, 2018. -/- Figura 13: Recrutamento, seleção e dominação folicular na espécie ovina e influência do FSH e LH nas fases. Fonte: SILVA, E. I. C. da, 2019. -/- A razão pela qual o folículo dominante é capaz de continuar seu desenvolvimento apesar da baixa nas concentrações de FSH é que o folículo é o único que alcançou o grau de progresso necessário para que apareçam os receptores para LH em suas células da granulosa. Esse processo permite ao folículo dominante ser estimulado pela LH, e que requeira baixas concentrações de FSH para manter seu desenvolvimento. A secreção de LH em forma de pulsos de baixa frequência (um pulso a cada quatro a seis horas), característica da fase lútea do ciclo estral; é suficiente para permitir que um folículo dominante continue crescendo por mais dias depois da sua seleção e que mais tarde mantenha-se viável durante alguns dias embora não aumentem de tamanho. Contu-do, se durante o período viável desse folículo não seja finalizada a fase lútea e não diminuam as concentrações de progesterona, o folículo terminará sofrendo atresia devido a exigência de um padrão de secreção acelerada de LH (aproximadamente um pulso por hora) durante o desenvolvimento pré-ovulatório, que somente pode ser produzido com a ausência da progesterona. Uma vez que um folículo dominante sofre atresia deixa de produzir inibina, pelo qual as concentrações de FSH podem elevar-se novamente para iniciar o recrutamento de outro grupo de folículos a partir da qual se origina uma nova onda folicular. Durante o ciclo estral de uma vaca podem gerar-se dois ou três ondas foliculares; somente em raros casos quatro. A etapa de dominância folicular da primeira onda na grande maioria dos casos não coincide com a regressão do corpo lúteo, pelo qual o primei-ro folículo dominante quase invariavelmente termina em atresia. Em algumas vacas o fo-lículo dominante da segunda onda ainda está viável quando se produz a regressão do corpo lúteo e acelera-se a secreção de LH, pelo qual esse segundo folículo dominante se converte em folículo pré-ovulatório e, ao final ovula. Em outros animais o segundo folícu-lo dominante também perde a sua viabilidade antes da regressão do corpo lúteo, por onde nesses animais se inicia uma terceira onda folicular, da qual surge o folículo que finalmen-te ovulará depois de produzir-se a regressão do corpo lúteo. Sem importar a onda em que se origine, uma vez que um folículo dominante é ex-posto a alta frequência de secreção de LH que se produz depois da regressão do corpo lúteo, aumenta ainda mais sua secreção de estradiol até que as altas concentrações desse hormônio comecem a exercer um feedback positivo para a secreção do LH. Isso provoca-rá a aceleração da frequência de secreção do LH até que os pulsos são tão frequentes que começam a ficar por cima e produzir-se o pico pré-ovulatório de LH, que é responsável pela realização da ovulação e a maturação final do ovócito. -/- •___DIFERENÇAS ENTRE ESPERMATOGÊNESE E OVOGÊNESE -/- Enquanto que na fêmea a ovogênese inicia-se durante a vida fetal, no macho a es-permatogênese começa na puberdade. Na fêmea, a partir de um ovócito primário se origi-na um óvulo; no macho, de um espermatócito primário se produzem, teoricamente, quatro espermatozoides. Outra característica interessante é que enquanto a fêmea já conta desde o nasci-mento com todos os ovócitos que necessitará na vida adulta, o macho necessitará chegar a puberdade para iniciar o desenvolvimento das células sexuais, já que ao nascer somente possui gonócitos precursores das células germinais, células de Sertoli e intersticiais. Na vida adulta de uma fêmea, o número de células germinais desaparece paulati-namente. Uma vez iniciada a espermatogênese no macho, a cada ciclo do epitélio seminí-fero as células germinais são renovadas mantendo a provisão para toda a vida reprodutiva. Na fêmea, a meiose sofre duas interrupções em seu transcurso, e no macho é ininterrupta. Figura 14: representação em diagramação comparativa do desenvolvimento da gametogênese. -/- Principais pontos abordados sobre as diferenças entre a gametogênese masculina e feminina: ❙ Na ovogênese a meiose contêm-se em duas ocasiões esperando acontecimentos externos para prosseguir. Já na espermatogênese não existe a suspensão da meiose. ❙ A espermatogênese é um processo contínuo, enquanto que a ovogênese pode completar exclusivamente um óvulo em cada ciclo estral; já que só pode ser completada por mais de um nas espécies que ovulam vários ovócitos no caso das porcas, cadelas, gatas etc. ❙ Na espermatogênese existem células de reserva que permitem a continuação du-rante toda a vida, enquanto que na ovogênese o número de ovócitos primários é limitado. A fêmea somente conta com os que nasceu, e eles não se dividem. ❙ Na espermatogênese obtém-se até 256 espermatozoides para cada espermatogo-nia que inicia o processo, enquanto que na ovogênese somente se obtém um óvulo a partir de cada ovócito primário. ❙ Durante a espermatogênese se produz uma metamorfose que transforma as es-permátides em espermatozoides. Na ovogênese não ocorre um processo análogo. ❙ Na espermatogênese, durante a meiose produzem-se quatro espermátides a partir de cada espermatócito primário. Na ovogênese se produz somente um óvulo a partir de cada ovócito primário; produz, ademais, dois corpos polares. ❙ Todos os óvulos que se produzem durante a ovogênese contém um cromossomo X, enquanto que a metade dos espermatozoides possuem um cromossomo Y e a outra metade um cromossomo X. ❙ Na espermatogênese produzem-se centenas ou dezenas de milhões de esperma-tozoides por dia, enquanto que na ovogênese se produz um ou alguns óvulos a cada ciclo estral. ❙ A espermatogênese produz gametas macroscópicos e com motilidade própria, enquanto que a ovogênese produz gametas grandes e imóveis. -/- REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS -/- ABDEL-RAOUF, Mohammed et al. The postnatal development of the reproductive organs in bullswith special reference to puberty.(Including growth of the hypophysis and the adrenals). Acta endocrinologica, n. Suppl No. 49, 1960. ADONA, Paulo Roberto et al. Ovogênese e foliculogênese em mamíferos. Journal of Health Sciences, v. 15, n. 3, 2013. AERTS, J. M. J.; BOLS, P. E. 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OBJETIVO A gestação nos mamíferos domésticos é um processo fisiológico que implica mudanças físicas, metabólicas e hormonais na fêmea, que culminam com o nascimento de um novo indivíduo. Desta forma, a compreensão de tais mudanças e como estas favorecem um ambiente ideal de desenvolvimento embrionário inicial, até a placentação e a fisiologia envolvidas durante esses processos é fundamental na tomada de decisões quanto à saúde reprodutiva da fêmea, na seleção de futuras matrizes e até mesmo para a saúde fetal e (...) sanidade do novo animal. Neste capítulo, o estudante compreenderá de forma clara, concisa, didática e objetiva, as adaptações maternas e fetais para o estabelecimento da gestação após a fecundação, o desenvolvimento desta e também identificará as diferenças existentes entre as espécies de interesse zootécnico. INTRODUÇÃO O estabelecimento da gestação nos mamíferos domésticos inclui três etapas fundamentais: o reconhecimento materno da gestação ou prenhez (RMP), a implantação e a placentação. Dentro da fisiologia da reprodução nos mamíferos, a implantação e a placenta- ção constituem processos essenciais na nutrição do embrião e do feto e, portanto, para seu desenvolvimento; devido a isso, são etapas críticas para a produção animal já que possuem um efeito direto sobre a eficiência reprodutiva. Nos bovinos leiteiros, por exemplo, estima-se uma taxa de fertilização perto de 95%, embora apenas 55% desses zigotos se desenvolvam e cheguem ao parto, o qual representa uma perda de gestações perto de 35%. Entre 70% e 80% das mortes embrionárias ocorrem durante as três semanas seguintes à ovulação, o que coincide com o período no qual se estabelecem os processos de implantação e placentação supracitados. O desenvolvimento embrionário precoce depende da sincronia de eventos entre o oviduto-útero e o embrião. Foi determinado que a presença do embrião pode modificar as secreções ovidutais e uterinas durante as fases iniciais de desenvolvimento. O ambiente endócrino materno (predominância de progesterona) também modula as características das secreções ovidutais e uterinas para assegurar a sobrevivência embrionária no caso da fertilização ter sido bem sucedida. Se este último ocorrer, então o embrião deverá indicar à mãe a sua existência para que sejam mantidas as condições adequadas ao seu desenvolvimento. Como supracitado, o embrião em seu curso pelo oviduto requer certas secreções para sobreviver e desenvolver-se, no entanto, graças à fertilização in vitro, têm-se dispensado a importância das secreções ovidutais, já que se observou que um embrião é capaz de se desenvolver em condições laboratoriais fora do aparelho reprodutor materno durante as suas fases iniciais, e consegue estabelecer uma gestação normal que chega a termo após a sua reintrodução no útero. Em estágios mais tardios de desenvolvimento o embrião necessita necessariamente do meio uterino para sobreviver e continuar o seu crescimento. No bovino, por exemplo, o embrião só é capaz de alongar-se estando dentro do útero, indicando a presença de fatores específicos necessários para que o embrião se desenvolva de maneira normal. Um meio endócrino no qual predomina a progesterona materna durante a gestação induz a secreção do histiotrofo (ou leite uterino) que permite a nutrição e a sobrevivência do embrião antes da implantação e da formação da placenta, através do qual obterá a maioria do fornecimento e intercâmbio necessários para continuar o seu desenvolvimento intra-uterino. SEGMENTAÇÃO E DESENVOLVIMENTO EMBRIONÁRIO PRECOCE O desenvolvimento embrionário precoce, conhecido como período de pré- -implantação, é essencial; inclui processos de divisão e diferenciação celular que são realizadas no início com uma elevada sincronização para garantir o desenvolvimento correto do indivíduo dentro do útero. Esta fase envolve a passagem do zigoto (unicelular), a embrião (multicelular) e, por fim, em concepto (quando se distingue o embrião com suas membranas extraembrionárias). O desenvolvimento precoce é o estágio mais dinâmico e vulnerável na formação de um indivíduo. Investigações recentes demonstraram que alterações nesta etapa podem modificar características produtivas ou reprodutivas durante a vida adulta. É por isso que é necessário conhecer as etapas fisiologicamente normais envolvidas neste processo (figura 1). Em fases mais tardias de desenvolvimento, o embrião se converterá em um feto com todos os sistemas e tecidos diferenciados observados num animal adulto. Após a fertilização, o zigoto resultante é capaz de dar origem a um novo organismo completo, de modo que se considera como uma célula totipotencial. O desenvolvimento embrionário começa e se consegue graças a uma série de divisões mitóticas conhecidas como segmentação ou clivagem (cleavage, em inglês). A primeira divisão mitótica dá origem a duas células filhas idênticas (figura 1), e ocorre por volta das 20 às 30 horas depois da fertilização, com divisões subsequentes a cada 12 a 24 h, dependendo da espécie. As células resultantes destas divisões são conhecidas como blastômeros. A orientação da divisão inicial que dá origem aos dois primeiros blastô- meros, parece ser guiada pela posição dos corpos polares. As divisões iniciais das células embrionárias são sincrônicas, no entanto, conforme o desenvolvimento se torna assincrônicas. Assim, a divisão mitótica inicial dá origem a um embrião de duas células (dois blastômeros), a segunda a um embrião de quatro células, a terceira a um de oito células e a quarta a um com 16 células, onde passa a ser chamado de mórula. Estas divisões são realizadas sem o aumento do volume do citoplasma, para que seja restabelecida uma proporção celular mais adequada à das células somáticas, já que o ovócito é a célula mais grande do organismo (um ovócito mede entre 100 e 150 μm do ovócito, enquanto uma célula somática mede de 10 a 20 μm); e porque o embrião ainda está contido dentro da zona pelúcida (figura 1). Um dos pontos críticos durante o desenvolvimento embrionário precoce é a ativação do genoma embrionário. Durante as etapas iniciais após a fertilização, as proteínas e RNAs “herdados” do ovócito são responsáveis pelo metabolismo e desenvolvimento inicial do embrião. É apenas até o estágio de quatro (ratos) ou oito blastômeros (espécies domésticas e humanas) em que o embrião começa a sintetizar o seu próprio RNAm (mensageiro) e as proteínas específicas necessárias para controlar o seu crescimento e metabolismo. A qualidade do ovócito que é fertilizado, consequente- mente, tem um grande impacto sobre a sobrevivência inicial do embrião. Quando o embrião atinge uma média de 16 a 32 células é conhecido como mórula (tabela 1) (do latim morus: mora), e nesta fase o embrião começa a compactar-se, o que ocorre porque começam a estabelecer-se diferentes uniões celulares, de acordo com a relação espacial entre os blastômeros. As células centrais desenvolvem-se incluindo entre elas junções comunicantes, conhecidas também como junções GAP, enquanto as que se encontram na periferia estabelecem uniões estreitas, dando origem a duas subpopulações distintas de blastômeros: periféricos e centrais. Cabe mencionar que os blastômeros que compõem a mórula ainda são células capazes de dar origem a um novo indivíduo completo, ou seja, são totipotenciais. À medida que a mórula continua a dividir-se e a crescer, as células localizadas na periferia começam a liberar sódio para os espaços intercelulares, criando uma diferença na pressão osmótica seguida pela entrada de água ao embrião. O líquido se acumula e provoca a separação das células, distinguindo ainda mais as duas subpopulações de células mencionadas (periféricas e centrais) e forma-se uma cavidade cheia de líquido. Esta cavidade é conhecida como blastocele; com a sua formação o embrião entra em fase de blastocisto (figura 1, tabela 1). Da subpopulação celular da periferia se origina do trofoblasto (trofoectoderma) que formará a maioria das membranas extraembrionárias (placenta), e da subpopulação central é estabelecida a massa celular interna ou embrioblasto, que dará origem ao embrião propriamente dito, ou seja, ao feto. Ao continuar a multiplicação e crescimento do trofoblasto à medida que o blastocisto se desenvolve, as células da massa interna se diferenciam novamente em dois segmentos distintos: a endoderme primitiva ou hipoblasto e o epiblasto (figura 1), em que todos os tecidos do organismo (saco vitelino) são originados e as células germinativas primordiais. Uma vez formado, o epiblasto continua a dividir-se e a diferenciar-se para dar origem às três placas ou camadas germinativas conhecidas como endoderme, mesoderme e ectoderme. Este processo é conhecido como gastrulação, e durante este diferem-se no embrião as porções craniais, caudais, dorsais e ventrais, processo conhecido como polaridade do embrião, que orienta o desenvolvimento dos diversos tecidos e órgãos do indivíduo. À medida que o blastocisto continua crescendo e diferenciando-se, vai-se acumulando mais líquido no blastocele, com o que a pressão interna aumenta e a zona pelúcida começa a ficar mais fina. Este fato, juntamente com a ação de proteases produzidas pelo embrião, leva à ruptura da zona pelúcida e à saída do blastocisto (eclosão), pelo que, uma vez liberado, o embrião é conhecido como blastocisto eclodido. O trofoblasto embrionário entra, então, em contato direto com o endométrio, o que é considerado como o início da implantação. IMPLANTAÇÃO O trofoblasto embrionário, também conhecido como trofoectoderma, dá origem à maioria das membranas fetais ou placenta fetal. O processo no qual o trofoblasto se une ao endométrio materno é conhecido como implantação; para isso ocorre uma série de processos altamente sincronizados envolvendo secreções embrionárias e maternas, e interações físicas, durante um período limitado conhecido como janela de receptividade. A implantação é considerada um processo gradual que genericamente se divide em cinco fases, algumas das quais podem sobrepor-se parcialmente e diferir segundo a espécie: 1. Eclosão do blastocisto da zona pelúcida (figura 2); -/- 2. Pré-contato e orientação do blastocisto. É o contato inicial entre as células do trofoblasto e do epitélio endometrial, bem como a orientação da massa celular interna e do trofoectoderma, que assume especial importância em espécies cuja implantação é invasiva, como em roedores e primatas; 3. Aposição - refere-se ao posicionamento do blastocisto numa determinada área e de uma forma específica no útero. Começa a interdigitação das vilosidades coriônicas com o epitélio luminal do endométrio. 4. Adesão - requer sistemas de sinalização que envolvem glicoproteínas de adesão, como integrinas, selectinas e galectinas, com os seus ligantes, tanto no epitélio luminal como no epitélio trofoectoderma. 5. Invasão endometrial - este termo se relaciona ao tipo de placentação e é pertinente sobretudo para aquelas espécies onde existe uma fusão entre células do trofoblasto e do epitélio do endométrio durante a formação da placenta, ou que as células trofoblásticas penetrem as camadas endometriais e até modifiquem as células do endométrio que as rodeiam. Existem três tipos de implantação ou nidação. Na nidação central ou não invasiva, a vesícula embrionária ocupa uma posição central na luz do útero e, na sua relação com a mucosa uterina, unicamente através das vilosidades coriônicas (projeções das células trofoblásticas dentro das quais crescem capilares do feto), há adesão mas não invasão da mucosa. Este tipo ocorre nos ungulados domésticos, mas não em carnívoros. Na nidação excêntrica a vesícula embrionária está inserida num canal profundo da mucosa, parcialmente isolada da luz principal, e se apresenta na rata, cadela e gata. A nidação intersticial é própria dos primatas, rato e cobaia, e nesta produz-se a destruição do epitélio e do tecido conjuntivo do útero, de modo que a vesícula embrionária se afunda na própria lâmina mucosa e se desenvolve em um espaço intersticial. Até o momento da implantação, a nutrição do embrião é histotrófica, sendo as substâncias necessárias absorvidas através do trofoblasto, como foi mencionado anteriormente. A partir deste momento, o trofoblasto começa o desenvolvimento de uma série de membranas extraembrionárias que permitirão finalmente a troca de nutrientes e metabólitos entre o sangue materno e o do embrião, constituindo a placenta. Um fato necessário na implantação é a perda de receptores para progesterona no epitélio luminal do endométrio, e pré-sensibilização do mesmo pelos estrógenos. Apesar de parecer um efeito contraditório, este requisito permite o desaparecimento de uma camada de mucina e outros compostos proteicos, que revestem o endométrio e que atuam como uma película antiaderente que inicialmente não permite a aposição e adesão do embrião. O desaparecimento desta camada ocorre durante a janela de receptividade, seja em toda a superfície do endométrio (ruminantes, suínos e roedores) ou nas zonas específicas onde o blastocisto será implantado (humano e coelho). Por esta razão, a interação física entre o embrião e o endométrio desempenha um papel importante na implantação. Uma vez que a camada de glicoproteínas desaparecer, é possível a aposição do trofoectoderma embrionário e das células epiteliais do endométrio, iniciando assim a implantação propriamente dita através da intercomunicação entre os dois tecidos. A implantação pode ser considerada como a fixação do embrião ao útero a partir do ponto de vista físico e funcional. No entanto, como se trata de um processo progressivo e gradual, em que algumas das suas fases podem ser parcialmente sobrepostas, não existe consenso sobre o período em que se inicia e termina. Na borrega, por exemplo, estima-se que ocorra entre o dia 10 e o dia 22, enquanto na vaca entre os dias 11 e 40 pós-ovulação. Nas espécies polítocas, isto é, fêmeas que parem várias crias como as porcas, os blastocistos se distribuem ao longo dos cornos uterinos como resultado de movimentos musculares da parede uterina, aparentemente regulados por prostaglandinas e outros fatores secretados pelo útero. Por exemplo, nas porcas, os blastocistos se movem livremente entre os cornos, e a distribuição dos embriões ao implantar-se é mais uniforme do que poderia ser esperado se ocorresse meramente ao acaso. Tem observado que a deficiência na produção de ácido lisofosfatídico 3 (LPA3) e/ou seu receptor, ocasiona uma falha na distribuição dos embriões no útero. Por outro lado, não há evidência de que um blastocisto implantado exerça alguma influência inibitória sobre a implantação de outro blastocisto próximo a ele. Como supracitado, o processo de implantação inclui uma complexa interação entre o embrião e o útero, e cada um deles provê de estímulos essenciais para favorecer a progressão do outro, apresentando-se diferenças em tempos e particularidades dentro das diferentes espécies. -/- Porca O período de adesão situa-se entre os dias 12 e 24 após a fertilização. Ao redor do dia sete, o blastocisto é eclodido, porque o trofoblasto está em contato direto com o epitélio uterino e começa a proliferar com rapidez. O endoderme se forma e o blastocisto muda de uma pequena vesícula esférica para um tubo muito alongado que chega a medir cerca de um metro em poucos dias, ele que lhe proporciona uma superfície muito ampla para a absorção de nutrientes. Cadela Os embriões migram entre os dois cornos uterinos do dia 12 ao 17 após a fertilização, distribuindo-se de maneira uniforme. Estes embriões aderem ao endométrio entre os dias 16 e 18, e alcançam sua implantação final entre o dia 17 e 20 da gestação. Cabe ressaltar que nos caninos o período de pré-implantação é o mais longo das espécies domésticas, o que ocorre porque a cadela ovula ovócitos imaturos (ovócitos primários) que precisam amadurecer por dois a três dias, para formar ovócitos secundários, antes que a fertilização seja possível. Por isso, o zigoto canino chega à junção útero-tubárica entre o sétimo e o décimo dia após o pico pré-ovulatório de LH (a ovulação ocorre, em média, dois dias após o pico de LH), entrando no útero em estágio de mórula ou blastocisto em torno dos dias 10 a 12 depois do referido pico. Ovelha O desenvolvimento precoce do blastocisto é muito semelhante ao da porca. Observa-se certo grau de adesão desde o dia 10 da gestação, mas o alongamento do embrião é menos extenso do que em suínos e tem início entre o dia 11 e 12. Para a terceira semana o embrião ovino chega a medir até 30 cm de comprimento. O processo de implantação é concluído aproximadamente entre a quarta e quinta semana de gestação (figura 3). Vaca O processo de implantação é semelhante ao da borrega, mas tem início mais tarde. A zona pelúcida se perde por volta do dia 9 a 10 (blastocisto eclodido) e o embrião começa a alongar-se ao redor do dia 12 a 14, atingindo um comprimento de cerca de 60 mm para o dia 16, embora possa haver uma grande variação individual. A partir do dia 33, o córion é formado e existe uma adesão inicial que inclui dois ou quatro cotilédones, que se interdigitam rapidamente com o tecido materno de modo que o embrião começa a nutrir-se através deles. Égua O blastocisto atinge um diâmetro de cinco centímetros aos dois meses e pratica- mente não se alonga. Entre os dias seis e sete após a ovulação, o embrião começa a revestir-se de uma camada glicoproteica que se forma entre o trofoectoderma e a zona pelúcida e que contém e mantém o embrião esférico depois de ter eclodido. Esta cápsula é uma estrutura única nos equinos (cápsula embrionária), afina-se no dia 18 e se perde entre os dias 21 e 23 de gestação. Na décima semana as microvilosidades do córion se interdigitam com a mucosa da parede uterina e na semana 14 é completada a implantação. Espécies não domésticas Em algumas espécies como os marsupiais, os ursos, focas, doninhas e alguns tipos de cervídeos, pode interromper-se temporariamente o desenvolvimento do embrião in utero e adiar a sua implantação, como estratégia evolutiva para favorecer o nascimento das crias em condições ambientais favoráveis para a sua sobrevivência. Esta estratégia é conhecida como diapausa e pode ser uma condição obrigatória ou facultativa para cada gestação, dependendo da espécie. Os mecanismos que a desencadeiam e a concluem não estão totalmente explicados e são espécie-específica. RECONHECIMENTO MATERNO DA GESTAÇÃO (RMG/RMP) O estabelecimento da gestação em mamíferos domésticos requer a presença de um corpo lúteo CL funcional que produz progesterona em quantidades adequadas para manter o desenvolvimento embrionário inicial e permitir mudanças necessárias durante o período de peri-implantação. Para que o corpo lúteo seja mantido e a fêmea seja impedida de reiniciar um novo ciclo estral, o embrião deve sinalizar sua presença para a mãe. O sinal para o reconhecimento materno da gestação (RMG) provém então do embrião e podem ser de dois tipos: luteotrópico ou anti-luteolítico. No primeiro, a(s) substância(s) produzida(s) pelo embrião que atua(am) sobre o corpo lúteo para manter sua funcionalidade, por exemplo a gonadotrofina coriônica humana (hCG) e a prolactina em roedores. O segundo tipo de sinal previne ativamente a luteólise, e é o mecanismo presente nas espécies domésticas em que o embrião produz substâncias como o interferon-τ (IFN-τ) em ruminantes ou os estrógenos em suínos. Ruminantes Como supracitado, o IFN-τ é responsável pela sinalização para o reconhecimen- to materno da gestação neste grupo que engloba cabras, ovelhas e vacas (figura 4). É um fator produzido pelas células do trofoblasto do embrião, e pode ser detectado a partir dos dias 11 a 12 em ovinos e de 14 a 15 em bovinos. Uma vez secretado, o IFN-τ impede a lise do corpo lúteo (efeito anti-luteolítico) por meio do bloqueio indireto da síntese de prostaglandina F2 alfa (PGF2α). No trabalho acerca do ciclo estral foi explicado que a luteólise requer a presença de receptores de ocitocina (OTR) no endométrio, que ao unir-se ao seu ligante, a ocitocina (proveniente inicialmente do hipotálamo e posteriormente de origem lútea), estimulam a produção de PGF2α e estabelecem um feedback positivo, que culminará na destruição do CL. Para que os OTRs sejam sintetizados, é necessária uma estimulação prévia do endométrio com estradiol, que ocorre através da ligação com seus receptores (ER-1). O mecanismo pelo qual o IFN-τ impede a lise do corpo lúteo é bloqueando, direta ou indiretamente, a síntese de OTR e, consequentemente, a produção pulsátil de PGF2α. Suínos No caso dos suínos, considera-se que o sinal embrionário para o reconhecimento materno da gestação são os estrógenos, produzidos pelos embriões em torno do dia 11 a 12 pós-ovulação. O endométrio suíno produz PGF2α que, quando não há gestação, é secretado na circulação uterina (secreção endócrina), de onde é transportada em direção ao CL para causar luteólise. Se há embriões no útero produzindo suficiente quantidades de estradiol, isso redireciona a secreção de PGF2α para o lúmen uterino (secreção exócrina), evitando que seja liberado para a circulação e, portanto, é sequestrado impedindo que chegue ao corpo lúteo (figura 5). É importante enfatizar que a produção de PGF2α não é inibida, mas sua secreção é redirecionada. Este mecanismo é conhecido como teoria endócrino-exócrina. Vale ressaltar que para o sinal de reconhecimento materno da gestação na porca ser eficiente, é necessário a presença de pelo menos quatro embriões, dois em cada corno, uma vez que se não houver dois embriões, um em cada corno, ocorre luteólise e reinicia a atividade cíclica. Embora os estrógenos sejam identificados como o sinal de reconhecimento materno nesta espécie, o embrião suíno também produz outros fatores, como a PGE2 e o ácido lisofosfatídico, considerado necessário para o estabelecimento adequado da gestação. A PGE2 ocasiona uma redução na produção de PGF2α em favor da PGE2 no endométrio e favorece a contração do miométrio para permitir a migração de embriões. O ácido lisofosfatídico, juntamente com seu receptor, é um fator crítico que favorece a migração intra-uterina, e permite uma distribuição adequada dos embriões ao longo dos cornos. Outras substâncias produzidas pelo embrião suíno são o IFN-delta (IFN-δ) e IFN-gama (IFN-γ), que não possuem ação anti-luteolítica, mas poderiam intervir no processo de implantação. Equinos Na égua é essencial que o embrião, ainda rodeado pela sua cápsula embrionária, migre de 12 a 14 vezes por dia através do útero, entre os dias 12 e 14 após ovulação, a fim de distribuir o fator de reconhecimento materno (figura 6). Embora seja sabido que existe, este último ainda não foi identificado, mas foi estabelecido que é da natureza proteica e seu principal efeito é a inibição da produção endometrial de PGF₂α, mediante a redução na formação do receptores de ocitocina; desta forma, evita-se o início do sinal luteolítico. É interessante notar que nesta espécie a ocitocina não é de origem lútea e sim endometrial. Primatas Ao contrário das espécies domésticas mencionadas, o mecanismo de ação do sinal de reconhecimento materno em primatas é luteotrópico. No humano, o embrião produz gonadotrofina coriônica humana (hCG) após o início da implantação (dias 6 a 8). A hCG estende a vida funcional do CL por meio de sua ligação a receptores lúteos para LH, estimulando assim a liberação de progesterona. Este efeito permite a “sobrevivência” do CL pelo menos até o momento em que a produção de progesterona é transferida para a placenta para levar a gestação a termo. Carnívoros Na cadela não é necessário o reconhecimento da gestação, já que normalmente o corpo lúteo tem uma vida média maior que a duração da gestação. Como na égua, a migração dos embriões através do útero antes da implantação pode favorecer o reconhecimento materno. Adicionalmente, tem sido descrito que durante o período antes da implantação (< 10 dias depois da ovulação), há um aumento na expressão de genes relacionados com a imunomodulação local (IFN-γ, IL-4 e CD8+), que não estão presentes em cadelas durante o diestro. A produção de IFN-γ por parte do embrião canino, como em outras espécies, pode estar envolvida na implantação ou o reconheci- mento da gestação, mas até o momento não foi demonstrado de forma inequívoca. Na gata doméstica, o fator que favorece o reconhecimento materno da gestação ainda não foi descrito. Temos que lembrar que seja qual for o mecanismo envolvido, a produção do sinal embrionário de reconhecimento materno da gestação é importante, já que a contínua presença de progesterona na circulação materna, faz possível que ocorra o desenvolvimento precoce do embrião e eventualmente a implantação, com a formação do órgão temporal mais importante para o desenvolvimento fetal: a placenta. Resumindo, o sinal enviado pelo embrião deve ser dado antes do útero começar a secretar PGF2a, hormônio que causa a destruição do corpo lúteo produtor da progesterona necessária para a gestação. O embrião deve secretar algumas substâncias (denominadas EPF: Early Pregnant Factors/fatores de gestação precoce) que capte o endométrio materno e sirva para evitar a ação luteolítica da PGF2a. Na porca, em vez de ser evitada a secreção de PGF2a, o referido hormônio é “sequestrado na luz do útero” e, desta forma, passa a secretar-se em forma exócrina, sem ter efeito sobre o corpo lúteo. No bovino, o reconhecimento materno da gestação é o processo fisiológico no qual o embrião, por meio de sinais moleculares como a secreção de interferon-τ (IFN-τ), anuncia sua presença no trato reprodutivo materno a fim de evitar que seja desencadeado o mecanismo luteolítico exercido pela PGF2a sobre o corpo lúteo. PLACENTAÇÃO Nos mamíferos domésticos, o processo de implantação é gradual e prolongado, e ocorre paralelamente a processos como a gastrulação e a formação de membranas extra- embrionárias: saco vitelino, âmnio, alantóides e córion. A formação das membranas extraembrionárias nos mamíferos eutérios, ou seja, aqueles que formam uma placenta completa, é um processo indispensável que permite ao embrião aderir-se ou implantar-se ao endométrio materno. As quatro membranas extraembrionárias mencionadas são formadas a partir do trofoblasto, mesoderme e endoderme embrionários. O saco vitelino fornece nutrientes no desenvolvimento inicial do embrião e se converte em vestigial quando a gestação progride; tem origem no endoderma primitivo, estrutura que junta com o trofoblasto e o mesoderma, formam o córion e âmnions. O âmnion contém o líquido amniótico que está em contato direto com o embrião e é a membrana mais interna; ademais, protege o feto, proporciona lubrificação para o parto e serve como um depósito para urina e resíduos fetais. O córion, por outro lado, é a membrana mais externa do embrião e, portanto, é a que entra em contato direto com o endométrio uterino materno; se fixa ao útero, absorve nutrientes do útero, permite a troca gasosa materno/fetal e produz hormônios. O alantóide se origina de uma evaginação do intestino primitivo e é de onde surge o sistema vascular da placenta fetal; a fusão com o córion (placenta cotiledonária), carrega os vasos sanguíneos do cordão umbilical, que liga o feto com o alantóide e é um reservatório de nutrientes e resíduos. Conforme o embrião se desenvolve, o saco vitelino regride e o alantóide se enche de líquido, pelo que este último se funde com o córion para formar o corioalantóides, que se torna a membrana mais externa e, portanto, a porção fetal do placenta. A placenta é um órgão temporário que representa uma interface através da qual realiza a troca bidirecional de nutrientes, gases, hormônios e outras substâncias entre a mãe e o feto. A unidade funcional da placenta são as vilosidades corioalantóicas, as quais são projeções pequenas dos corioalantóides que se interdigitam com o endométrio uterino, cuja superfície de absorção permite essa troca. A placenta é um órgão endócrino capaz de produzir uma gama de hormônios que ajudam a controlar o ambiente uterino, favorecendo o desenvolvimento do feto, além disso possui um papel importante no momento do parto. Nas diferentes espécies a placenta tem características particulares, pelo qual existem várias classificações, de acordo com a sua posição uterina, a distribuição das vilosidades corioalantóicas e a sua histologia. Posição uterina Refere-se à posição do concepto em relação ao lúmen uterino (figura 7). Central: O concepto ao ser implantado permanece em contato com o lúmen do útero. A maioria das espécies domésticas de importância veterinária estão dentro desta classificação. Excêntrica: O concepto penetra parcialmente o endométrio materno, mas mantém um certo contato com o lúmen uterino. Os roedores (ratos e ratos) e a coelha possuem este tipo de placentação. Intersticial: O embrião invade o endométrio, perde contato com o lúmen uterino, e ao crescer o lúmen uterino se oblitera. Os humanos e a maioria dos primatas mostram este tipo de placenta. Distribuição das vilosidades As vilosidades que formam a interface materno-fetal podem estar distribuídas de maneira diferente ao longo da superfície dos corioalantóides, pelo qual a placenta pode ser classificada como (figura 8): Difusa: Neste tipo de placenta as vilosidades estão distribuídas ao comprimento de toda a superfície do córion (corioalantóides) de maneira uniforme. As placentas de suínos e equinos se enquadram nesta classificação, embora, nesta última espécie, as vilosidades formem estruturas mais ramificadas, que são chamadas microcotilédones (figura 10). Zonal: Esta placenta se apresenta nos carnívoros domésticos, tanto caninos como felinos. As vilosidades que determinam a zona de troca de nutrientes e resíduos, e de ligação com o endométrio são delimitadas de forma a formar uma cintura central em torno do feto (figura 9). Distingue-se também uma segunda região chamada paraplacenta, que se localiza em ambos lados deste “cinto”, e do qual a função não é inteiramente conhecida, embora sabe-se que desempenha um papel importante na troca de ferro da mãe para o feto. As extremidades laterais dos corioalantóides nestas placentas não possuem vilosidades por isso não se ligam ao endométrio. Uma terceira região é a zona transparente nas extremidades distais do córion que tem pouca vascularização. Esta zona pode estar envolvida na absorção de materiais diretamente do lúmen uterino (figura 11). Cotiledonária: É o tipo de placentação que se encontra presente nos ruminantes (ovinos, caprinos e bovinos). As vilosidades coriônicas nestas espécies são agrupadas em pequenas áreas do córion chamadas cotilédones, que se interdigitam e fundem-se parcialmente com locais delimitados no endométrio chamados carúnculas, formando, em conjunto, estruturas conhecidas como placentomas. Cabe destacar que as carúnculas carecem de glândulas endometriais, que só estão presentes nas porções inter-carun- culares do endométrio. Os placentomas, por sua vez, são altamente vascularizados e são remodelados com o progresso da gestação, ramificando-se para aumentar a superfície de troca e o fluxo sanguíneo para aumentar os requisitos do feto em crescimento. Nas zonas inter-carunculares, a placenta é ligada ao endométrio por meio de sistemas de adesão superficial que envolvem glicoproteínas. Acredita-se que a adesão do concepto com o endométrio (carúnculas) é estabelecida em torno de 30 dias em ovinos e 40 dias em bovinos. (figuras 13 a 17). Discoidal: Nestas placentas, as vilosidades agrupam-se numa área circular ou oval, formando uma estrutura discoidal. Este tipo de placenta é encontrada principal- mente em coelhas, roedores e primatas, incluindo os humanos. Histologicamente Esta classificação considera o número de camadas de tecido que compõem a placenta e que separam a circulação materna da circulação fetal (tabela 3). O número máximo é de seis camadas, três do lado fetal (córion, tecido intersticial e endotélio do vaso sanguíneo) e três do lado materno (epitélio endometrial, tecido intersticial e endotélio vascular) (figura 19 e tabela 3). O modo de distinguir e nomear os diferentes tipos de placenta nesta classificação é usando como prefixo a camada materna que está em contato com o córion fetal. As diferentes placentas baseados em sua histologia são as seguintes (figura 19): Epiteliocorial: É o menos íntimo entre os tipos de placentas (figura 20). Estas placentas conservam intactas as seis camadas de tecido, portanto que mantêm as circulações materna e fetal mais separadas, e consideradas como as mais impermeáveis. Este tipo de placenta está presente na porca e égua. Lembre-se de que as placentas da porca e da égua são diferentes e as vilosidades ocupam uma grande proporção da área de superfície do córion (figura 19 A). Também apresenta-se nos ruminantes, no entanto, as placentas dos ruminantes apresentam algumas características particulares que as colocam como um subgrupo e se chamam sinepiteliocorial ou sindesmocorial (figura 19 B). Na vaca, este tipo apresenta-se nos primeiros 2-3 meses de gestação. Além da característica de erosão parcial do epitélio endometrial, um tipo de célula único é encontrado na placenta de ruminantes. Essas células são chamadas células gigantes binucleadas. Como o nome indica, elas são caracterizadas como bastante grandes e com dois núcleos. Na placenta dos ruminantes, algumas células do epitélio coriônico conhecidas como células binucleadas, se fundem com algumas células do epitélio endometrial, criando inicialmente células gigantes trinucleadas e mais tarde placas ou sincícios multinucleados. Estes sincícios têm em consequência uma origem tanto fetal como materna, que criam lugares delimitados nos quais em vez de existir intacta uma camada de epitélio coriônico e outra de epitélio endometrial, encontra-se uma só camada que combina as duas origens. As células gigantes binucleadas migram e mudam seu número ao longo da gestação em forma dinâmica. Este tipo celular é importante porque secretam uma variedade de hormônios. Células gigantes binucleadas aparecem por volta do dia 14 na ovelha e entre os dias 18 e 20 na vaca. Endoteliocorial: 5 camadas. Neste tipo de placentação o córion fetal está em contato direto com o endotélio vascular do endométrio graças à erosão do epitélio e do tecido conectivo endometrial (tecido intersticial) durante a implantação (figura 19 C). De modo que o intercâmbio de substâncias e resíduos só requer atravessar quatro camadas de tecidos. Este tipo de placenta é presente principalmente em cães e felinos. Nota-se nas figuras 19 C e 21 que este tipo de placenta é mais íntimo do que a placenta epiteliocorial porque o epitélio endometrial não existe mais. Hemocorial: 3 camadas (figura 22). Aqui o epitélio coriônico está intacto e entra em contato direto com o sangue materno em regiões onde formam reservatórios de sangue semelhantes a poços (figura 19 D). O intercâmbio de substâncias e resíduos entre a mãe e o feto é mais direto uma vez que é necessário atravessar apenas três camadas para chegar até à circulação fetal. Algumas espécies de primatas, incluindo o ser humano e os roedores possuem este tipo de placentação. MEMBRANAS EXTRAEMBRIONÁRIAS EM AVES Ao mesmo tempo que se estabelece o corpo embrionário e os esboços de cada um dos órgãos começam a gerar-se, torna-se imperioso garantir a sobrevivência do embrião. Tenha-se em conta que nas aves todo o necessário para o desenvolvimento é encontrado no ovo pelo que deve-se reforçar a eficácia das estruturas criadas para garantir o objetivo a que se destina. O exterior é fornecido apenas com o O2; emite CO2 e vapor de água no exterior (perda de 15% da água durante a incubação inicial). Além disso, o neonato não é imaturo, como nos anfíbios, mas está em um estádio maduro juvenil. Como indicado, são quatro as problemáticas a que deve fazer frente o embrião: prover-se de um meio que garanta o desenvolvimento volumétrico, amortecendo os movimentos físicos excessivos que possam traumatizá-lo e evitar a dessecação; assegurar que os nutrientes (vitelo e albúmen) sejam incorporados de forma correta no interior do embrião; assegurar o intercâmbio de gases; e eliminar substâncias tóxicas derivadas do metabolismo proteico. Para atender estas necessidades são desenvolvidas uma série de membranas extrambrionárias que se vão expandindo progressivamente pelo interior do ovo. A dureza da casca e sua relativa impermeabilidade protege-o igualmente da intempérie terrestre. -/- Figura 23: Evolução das membranas extraembrionárias de galinha (3 e 10 dias de incubação). -/- Saco vitelino: o saco vitelino é a primeira membrana extraembrionária em formação. Aparece como consequência direta da gastrulação: as camadas germinativas que se formam ao nível do disco embrionário expandem-se progressivamente contornando o vitelo. Assim, as células provenientes da área opaca (equivalente ao trofoblasto dos mamíferos) migram sobre o vitelo, terminando quase por cobrir, o mesmo ocorre com o endoderma mais internamente, formando-se assim um saco bilaminar. Posteriormente, o mesoderma se interpõe entre ambos, progredindo igualmente no sentido distal, rodeando o endoderma e aderindo-se ao mesmo e ao equivalente de trofoblasto. Ao estabelecer-se o celoma, o saco é constituído pelo endoderma e folha esplâncnica do mesoderma lateral. Este mesoderma vai progredindo no sentido distal e se vasculariza profunda- mente; os vasos distais se anastomosam formando um anel vascular denominado seio terminal, que marca o limite do mesoderma em expansão. Assim, sobre o vitelo é distinguível um área distal não vascularizada (área vitelina) e uma área proximal vascularizada (área vasculosa) que vai ficando progressivamente maior. Ao sexto dia de incubação mais da metade da superfície do vitelo foi envolvido pelo mesoderma. Os nutrientes do vitelo são absorvidos e desdobrados a componentes mais simples por enzimas produzidas pelo endoderma, sendo incorporados aos vasos vitelinos que os veicularão até o coração, que os impulsionará a todo o embrião. Durante a fase embrionária (até ao sexto dia de incubação), o oxigênio do exterior chega até a área vasculosa por difusão, incorporando-se daqui ao embrião; além disso, durante a primeira semana, as alterações na composição e volume do vitelo fazem que se disponha flutuando sobre o albúmen, o que faz com que a área vasculosa fique em contato com a casca, favorecendo-se assim a respiração. O intestino primitivo se instaura a partir das porções mais proximais do saco vitelino à vez que o corpo é fechado (2º-3º dia). O saco vitelino vai regredindo à medida que se vão esgotando os nutrientes do vitelo que aloja. Pouco antes do nascimento é incorporado à cavidade corporal como divertículo vitelino que fica unido ao jejuno; o divertículo vitelino persiste até seis dias após o nascimento, constituindo uma fonte adicional de nutrientes. -/- Figura 24: Feto de galinho ao fim, perto de ser eclodido. -/- mnios: no segundo dia (-30 horas) de incubação se formam as dobras amnióticas na somatopleura extraembrionária, perto do disco embrionário. Progridem dorsalmente, terminando por convergir e fundir-se cerca de 72 horas de incubação, coincidindo com o fechamento corporal, assim sendo constituído o âmnios, que terminará perdendo todo o contato com o córion. A cavidade amniótica que limita está cheia de um líquido seroso que garante que o embrião seja desenvolvido em um meio aquoso; este líquido é secretado pelo âmnios, mas também composto por substâncias formadas pelos rins, cavidade oral e aparelho respiratório. Córion: após a formação do celoma e o estabelecimento e fusão das dobras amnióticas, a parte da somatopleura extraembrionária que fica mais periférica constitui o córion (também denominado serosa nas aves); permanece formada pela área opaca expandida e mesoderma somático. Progressivamente vai aderindo-se à membrana testácea interna deslocando o albúmen; sobre o dia 12 termina por cobrir toda a superfície interna da casca. Intervém na troca gasosa com o meio ambiente através dos poros da casca e na captação do cálcio desta. Alantóides: o alantóide inicia a sua formação no dia 3 de incubação. Cresce rapidamente, ocupando o espaço exocelômico, terminando por cobrir o âmnios e saco vitelino. Progressivamente, entre os dias 4 a 10, sua parte mais externa se funde com o córion, formando-se o alantocórion, membrana trilaminar que cobrirá a superfície interna da casca, aderindo-se à membrana testácea interna, cujo mesoderma (esplâncnico) se vasculariza intensamente. A partir do dia 7 substitui completamente a área vasculosa como órgão respiratório, sendo garantido o aumento gradual das necessidades de troca gasosa na fase fetal do desenvolvimento (desde o dia 8), de rápido crescimento. A capacidade de capilarização desta membrana é muito maior do que a do saco vitelino. Na cavidade alantóica acumula-se a urina produzida pelos rins, afastando os produtos tóxicos do embrião; a membrana também age sobre este fluido intervindo na manutenção do equilíbrio hídrico e mineral do embrião. -/- Figura 25: Formação do saco vitelino. Limite entre a área vascular e avascular. Seio terminal. -/- O albúmen perde água rapidamente e torna-se menos volumoso e mais viscoso, terminando por desaparecer progressivamente. A ligação do alantocórion à membrana testácea interna faz com que seja marginalizado para uma posição periférica, no polo agudo do ovo. Aqui, o alantocórion que o rodeia constitui o saco do albúmen. O albúmen é a principal fonte de água e proteínas. A água é incorporada ao vitelo, o que, ao tornar-se mais volumoso, provoca que, entre os dias 3 e 4, se rompa a membrana vitelina; apenas restos mortais devem permanecer entre o saco vitelino e o albúmen. Dentro do saco vitelino, a água se acumula principalmente sob o embrião -fluido subembrionário-; este fluido atinge o seu volume máximo (15 ml) no dia 6. As proteínas serão incorporadas principalmente a partir de no dia 12, seja através do saco vitelino, do saco do albúmen ou por ingestão de líquido amniótico, dada a comunicação seroamniótica que se estabelece. Na galinha, a eclosão ocorre aos 21 dias de incubação. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS -/- Anotações de aulas de Embriologia Básica, Prof. Dr. Edson João da Silva, UFRPE, 2021. BAZER, Fuller W. et al. Novel pathways for implantation and establishment and maintenance of pregnancy in mammals. MHR: Basic science of reproductive medicine, v. 16, n. 3, p. 135-152, 2009. CARTER, Anthony M. Evolution of placental function in mammals: the molecular basis of gas and nutrient transfer, hormone secretion, and immune responses. Physiological Reviews, 2012. CARTER, A. M.; ENDERS, A. C. Placentation in mammals: Definitive placenta, yolk sac, and paraplacenta. Theriogenology, v. 86, n. 1, p. 278-287, 2016. CONSTANTINESCU, G.M.; SCHATTEN, H. Comparative reproductive biology. Carlton: Blackwell Publishing, 2007. 402p. Avicultura: Formação do Ovo. Desenvolvimento Embrionário e Diferenciação Sexual nos Animais Domésticos. Disponível em:. Acesso em: Dezembro de 2021. 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Defina e caracterize os meios de reconhecimento materno da gestação (RMG) nos animais domésticos. -/- 6. O que diferencia o RMG em ruminantes e suínos? -/- 7. Qual o papel do estradiol no RMG em porcas? O que ocorre quando a porca não fica gestante? -/- 8. Explique o RMG em cães e gatos. -/- 9. Defina placentação e sua importância para a reprodução dos animais domésticos. -/- 10. Quais são as classificações da placentação? Classifique a placentação das fêmeas domésticas. -/- 11. Caracterize e diferencie o processo de placentação em fêmeas domésticas. -/- 12. Observe a figura e responda o que se pede:. (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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Never was dogmatic reductionism helpful in conceiving the phenomenon of life. The post-genomic era has made it clear that genes alone cannot explain the functioning of whole organisms. Already each cell represents a unique, non-recurring individual. Recent progress in developmental biology has conveyed new perspectives both on the makings of individual organisms (ontogeny), as on evolutionary change (Evo-Devo). The genome (the entirety of all genes) of an animal remains constant from fertilization onwards in each cell. The realization of genes requires (...) molecular environments, in particular pertinent to the cytoplasm of the unfertilized egg. Individuality of an organism therefore is not only determined by its genome, but is shaped through developmental processes (it needs time!). Organisms can only exist through mutual interplays with their respective (molecular and cellular) environments at all levels of organization. Thus, life can be conceived of as endless networks of communication, e.g. as a mutual continuum, connecting all individuals, all species and all generations within their given environments. Evolutionarily, nature does not select fitting genes, but rather viable traits. The presented concepts render it unlikely that it was genes that founded our living world, but rather that distinct environments shaped “genes” (of whatever chemical nature) which proved to be “life-suitable”. (shrink)

About death, grief, mourning, life after death and immortality. Why should we die like humans to survive as a species. -/- "No one wants to die. Even people who want to go to heaven don't want to die to get there. And yet death is the destination we all share. No one has ever escaped it. And that is as it should be, because Death is very likely the single best invention of Life. It is Life's change agent. It clears (...) out the old to make way for the new." (Steve Jobs) -/- CONTENTS: -/- Death - Philosophy of death - Religions - - Animism - - Atheism - - Buddhism - - Christianity - - Hinduism - - Islam - - Jainism - - Jehovah's Witnesses - - Judaism - - Latter-day Saints - - Spiritism - Symbolism - Personification of Death - - Notable personifications - - In mythologies - - - Hindu mythology - - - In Japan - - - Slavic paganism - - - Lithuanian paganism - - In the three monotheistic religions - - - Judaism - - - Christianity - - - In Mexico - - - Islam - Axiochos - - The characters of dialogue - - Dialogue - - Prologue - - Arguments - - Citations - Paradise - - Greco-Roman mythology - - Mesopotamian mythology and influences - - According to Judaism - - According to Christianity - - - According to Catholicism - - - According to Protestantism - - - According to the Church of Jesus Christ of Latter-day Saints - - According to Islam - - According to Hinduism - - According to modern spiritualities - - - According to the esoteric - Hell - - Mesopotamian origins - - According to Christianity - - - Names appearing in the biblical texts - - - Medieval artistic representations - - - Concepts according to Christian movements - - According to Judaism - - According to Islam - - According to Buddhism - - According to Hinduism - - According to modern esotericism - - - According to Aïvanhov - - - According to Allan Kardec - - Philosophy - - - Jewish Kabbalah - - - Sartre - - - Popular wisdom Funerals - The funeral ritual: a rite of passage - Prehistory - Ancient death customs - - The family bereavement - - Mummification - - Sarcophagi - - Funerals - - Ancient Greece - - Ancient Rome - - Celts, Germans and Scandinavians - Religious funeral rites - - Buddhism - - Judaism - Christianity - - Protestantism - - Islam - Funeral rites by continent - - In Africa - - In Europe - The contemporary era - Mourning (Grief) - - Steps - - - Death of a close - - Loss events without mourning value (white factors) - - Duration and manifestations - - Risks - - Colors - Graveyards (Cemeteries) - - First cemeteries - - Cemeteries today - Funerary art - Dolmens - - Types of dolmens - - Function - - Location - Passage graves - Cenotaphs - - Famous cenotaphs - Lanterns of the Dead Afterlife - History - Questions about death and immortality - Testimonials - - Spiritualistic experiences - - Popular literature on the afterlife - - "Memories" and reminiscences - - Early studies of the science of the 19th century and early 20th century - Types of scenarios - Some religious and philosophical concepts - - Afterlife in Buddhism - - Afterlife in Christianity - - According to Hinduism - - According to Islam - - According to Judaism - - According to Mormonism - - According to the ancient philosophies - - According to Spiritism - - According to Native American traditions - - According to Vedism - - According to Esotericism - In science - Near-death experiences - - Clinical death - - NDE frequency - - Effects of depth of NDE on survival - - Near-death experiences and shared-death experience - - - The first contemporary testimonials - - - Experience according to Moody - - - The concept of "shared death" - - - The NDE scales - - The study of Pim van Lommel - - Spiritual and patient point of view - - - Survivalists studies - - - The religious understanding of the phenomenon - - Scientific views - - - Physiological explanation - - - Psychological explanation - Reincarnation - - Religions - - - In Hinduism - - - In Jainism - - - In Buddhism - - - In Judaism - - - In Christianity - - - In Islam - - In contemporary times - - - Esotericism - - - Works of the psychiatrist Ian Stevenson - - - Radical increase in life expectancy and artificial reincarnation - - Criticism - - - Arthur Schopenhauer - - - Ramana Maharshi - - - Rene Guenon - - - Ananda Kentish Coomaraswamy - Metempsychosis - - Theories - - Ideas - Maschalismos Immortality - Immortality of the soul and religious traditions - - Buddhism - - Christianity - - Islam - - Mormonism - Contemporary perception of the immortality of the body - - Observation in the animal kingdom - - Perspectives for mankind - Immortality in science - - Alexis Carrel - - Jean Rostand - - Hayflick limit - - Étienne-Émile Baulieu and DHEA - - Aubrey de Grey - - Professor Skulachev - - Regenerative medicine - - Professor Christopher Jaeger - Eternal Return - - According to the Mesopotamians - - According to Heraclitus and the Stoics - Fountain of Youth - - History of myth and relatives myths - - - In Roman mythology, Germanic, Celtic and Irish - - - In the Middle-East - - - In Spain - - - In the Bible - - The fountain in art and literature - - Painting - - - Literature and cinema - - Persistent of the myth until today - Senescence - - Why do we age? 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- Poems - - Charlotte Brontë, “On the Death of Anne Brontë” - - Edgar Allan Poe, “Annabel Lee” - - Edna St. Vincent Millay, “And you as well must die” - - Emily Dickinson, “Because I could not stop for Death” - - Emily Dickinson, “If I Should Die” - - Lord Byron, “Epitaph to a Dog” - - Pablo Neruda, “Only Death” - - Stephen Crane, “God Lay Dead in Heaven” - - W. B. Yeats, “He Wishes His Beloved Were Dead” - - Rainer Maria Rilke, “Death” - Paintings - - The Three Dead Kings - - The Death of Nelson - - Beata Beatrix - Sculptures - - The Kiss of Death - - Background - - Imagery - - Angel of Grief - - Fallen Astronaut - Quotes References About the author - Nicolae Sfetcu - - By the same author - - Contact Publishing House - MultiMedia Publishing -/- DOI: 10.58679/TW44411. (shrink)

Origin of life studies have presented one of the most serious challenges to the mechanistic conception that life can be explained scientifically as a mere product of chemistry and physics. Hypotheses about the origin of life can be divided into two categories: (1) biogenesis – life comes from life, and (2) abiogenesis – life comes from non-living matter. The theory of the spontaneous generation of life from inanimate matter had been held even by the ancient Greeks and by numerous scientists (...) well into the 19th century. The theory of abiogenesis poses many problems for understanding the origin of life on Earth, and the appearance of life early in Earth’s history. Numerous chemical, mathematical and informational problems arise which make random mechanical processes of cellular formation and function unlikely. Fossil evidence contradicts a gradualist evolutionary mechanism of development of life, especially the well-known Cambrian explosion, in which highly developed metazoan species suddenly appear in the geological column without intermediate predecessors. But the physical conundrums that mechanistic theories of chemistry and physics face are only one side of the problem. Along with a rising chorus of philosophers, Thomas Nagel, an atheist philosopher, has protested that essential questions about the origin of life, and features such as mind, intelligence and morality are completely left unexplained by mechanistic evolutionary theories. In Mind and Cosmos: Why the Materialist Neo-Darwinian Conception of Nature Is Almost Certainly False, Nagel plainly lays out his argument that the modern materialist approach to life has conspicuously failed to explain something so integral to nature as mind or consciousness, thereby threatening to unravel the entire naturalistic world picture of biology, evolutionary theory and cosmology. [13] As an alternative he argues that at least natural teleological principles must be admitted to play a role in our view of science. He writes: “Each of our lives is a part of the lengthy process of the universe gradually waking up and becoming aware of itself.” The Vedantic view of the Absolute as sentient conceives of Bhagavan as the conscious and consequently personal source of the universe. This view holds that life is fundamental, and not merely coextensive with matter. It is thus consistent with the law of biogenesis which is scientifically established in agreement with empirical evidence. Life is the basis of Nature, not matter, and Nature is a system in which the different species are nodes or niches, each possessed of variety and adaptability. Evolution is of consciousness, not of the bodies of organisms. The sedimentary fossils are the result of catastrophic deposits, and are thus not indicative of gradual evolution which is concluded only on the questionable assumption of uniformitarianism. (shrink)

The counterfactual account of physical computation is simple and, for the most part, very attractive. However, it is usually thought to trivialize the notion of physical computation insofar as it implies ‘limited pancomputationalism’, this being the doctrine that every deterministic physical system computes some function. Should we bite the bullet and accept limited pancomputationalism, or reject the counterfactual account as untenable? Jack Copeland would have us do neither of the above. He attempts to thread a path between the two horns (...) of the dilemma by buttressing the counterfactual account with extra conditions intended to block certain classes of deterministic physical systems from qualifying as physical computers. His theory is called the ‘algorithm execution account’. Here we show that the algorithm execution account entails limited pancomputationalism, despite Copeland’s argument to the contrary. We suggest, partly on this basis, that the counterfactual account should be accepted as it stands, pancomputationalist warts and all. (shrink)

In several places, John Bickle claims that current neuroscientific practice provides actual cellular/molecular reductions of certain mental states. He gives the case study of ‘memory consolidation switch’ as an example where recent findings suggest that this mental state/process can be reduced to the molecular ‘cAMP, PKA, CREB Pathway’. Taking this example, Bickle ‘waves the eleminativist flag’ by claiming that psychological explanations loose their pertinence (or, as he says, ‘became otiose’) once a cellular/molecular explanation replaces them. On this paper (...) I’ll try to show that, even if a reductive explanation of ‘memory consolidation switch’ is disposable, we cannot eschew reductively its causal/functional integrity, i.e.: the explanatory/causal context that defines the mental concept/process ‘memory consolidation switch’ in the first place. (shrink)

The mathematical universe hypothesis is a theory that the physical universe is not merely described by mathematics, but is mathematics, specifically a mathematical structure. Our research provides evidence that the mathematical structure of the universe is biological in nature and all systems, processes, and objects within the universe function in harmony with biological patterns. Living organisms are the result of the universe’s biological pattern and are embedded within their physiology the patterns of this biological universe. Therefore physiological patterns in living (...) organisms can be used as models to structurally map analogies from the biological domain to any target domain to reveal and understand the biological nature of the target domain. Our paper explores various analogies, structurally mapping a red blood cell to a cup; proteins produced from ribosomes to music produced from instruments; a beating heart to the melting and freezing of Antartica; cells, tissue, organs and blood, to people, organizations, industries, and money, and; bio-economic concepts in cellular society to socioeconomic concepts in human society. It also discusses how phenomena in cellular mitosis can help explain phenomena in the universe, such as black holes, dark matter, dark energy, and the structure of the universe. Building upon the concept of perennial wisdom, our research has provided evidence that the ideas of a biological universe were expressed across many past cultures and historical periods. The implications of this theory are vast, encompassing fields such as physics, science, philosophy, religion, law, economics, politics, and engineering, thus serving as a unifying theory for all knowledge. Our theory is supported by meta-analysis of scientific, historic, and religious literature, observations and first principles logic. (shrink)

Judgments of plausibility involve appearance of the truth or reasonableness, which is always a function of background knowledge. What anyone will countenance is conditioned by what they already know (or think they know). Marc Kirschner (professor of systems biology at Harvard) and John Gerhart (professor of molecular and cell biology at the University of California—Berkeley) aim to show that molecular, cellular, and developmental processes relevant to the generation of phenotypic variation in anatomy, physiology, and behavior demonstrate how evolutionary processes, (...) especially the origins of novelty, are plausible. The outstanding question for Kirschner and Gerhart concerns not the modification of structures but their origination—a question unanswered by the theoretical framework of the modern synthesis. (shrink)

Chloroquines are 4-aminoquinoline-based drugs mainly used to treat malaria. At pharmacological concentrations, they have significant effects on tissue homeostasis, targeting diverse signaling pathways in mammalian cells. A key target pathway is autophagy, which regulates macromolecule turnover in the cell. In addition to affecting cellular metabolism and bioenergetic flow equilibrium, autophagy plays a pivotal role at the interface between inflammation and cancer progression. Chloroquines consequently have critical effects in tissue metabolic activity and importantly, in key functions of the immune (...) system. In this article, we will review the work addressing the role of chloroquines in the homeostasis of mammalian tissue, and the potential strengths and weaknesses concerning their use in cancer therapy. (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 argue that prediction success maximization is a basic objective of cognition and cortex, that it is compatible with but distinct from prediction error minimization, that neither objective requires subtractive coding, that there is clear neurobiological evidence for the amplification of predicted signals, and that we are unconvinced by evidence proposed in support of subtractive coding. We outline recent discoveries showing that pyramidal cells on which our cognitive capabilities depend usually transmit information about input to their basal dendrites and amplify (...) that transmission when input to their distal apical dendrites provides a context that agrees with the feedforward basal input in that both are depolarizing, i.e., both are excitatory rather than inhibitory. Though these intracellular discoveries require a level of technical expertise that is beyond the current abilities of most neuroscience labs, they are not controversial and acclaimed as groundbreaking. We note that this cellular cooperative context-sensitivity greatly enhances the cognitive capabilities of the mammalian neocortex, and that much remains to be discovered concerning its evolution, development, and pathology. (shrink)

This paper presents a unified theory of reality, which integrates two interdependent frameworks: Cellular Primary Consciousness Theory (CPCT) and Open and Closed Systems Theory (OCST). Although CPCT and OCST can each stand as individual theories, they are, in this work, combined to form a cohesive explanation of both the mechanics and purpose of the universe. CPCT posits that consciousness is a fundamental aspect of all life, extending to even the simplest cells, rather than being an emergent property exclusive to (...) complex neural systems. Drawing upon evidence from quantum mechanics, cell biology, and systems theory, CPCT challenges traditional views on the origins of consciousness by suggesting that awareness is a universal property present from the cellular level. OCST, which forms the second component of this unified theory, examines the nature of the universe as a closed system subject to the laws of entropy. This theory explores how the universe is moving toward maximum entropy, where meaning and contrasts dissolve. However, beyond this closed system lies the realm of an open system—a domain of infinite potential that transcends the dualities and limitations of the physical universe. This open system offers a philosophical explanation for existence and the possibility of eternal meaning. Together, these two theories provide a novel and cohesive framework that addresses both the mechanics of consciousness and the ultimate purpose of the universe. The integration of CPCT and OCST bridges scientific evidence from quantum biology and systems theory with philosophical explorations of existence, presenting a comprehensive vision of reality as both a closed physical system and an open metaphysical one. This unified theory encourages a reexamination of our place in the cosmos, suggesting that beyond the observable universe lies an infinite realm of potential where consciousness and meaning endure. (shrink)

It has been known for long time that the cosmic sound wave was there since the early epoch of the Universe. Signatures of its existence are abound. However, such a sound wave model of cosmology is rarely developed fully into a complete framework. This paper can be considered as our second attempt towards such a complete description of the Universe based on soliton wave solution of cosmological KdV equation. Then we advance further this KdV equation by virtue of Cellular (...) Automaton method to solve the PDEs. We submit wholeheartedly Robert Kurucz’s hypothesis that Big Bang should be replaced with a finite cellular automaton universe with no expansion. Nonetheless, we are fully aware that our model is far from being complete, but it appears the proposed cellular automaton model of the Universe is very close in spirit to what Konrad Zuse envisaged long time ago. It is our hope that the new proposed method can be verified with observation data. But we admit that our model is still in its infancy, more researches are needed to fill all the missing details. (shrink)

A comparison of six alternative definitions of the term 'cellular pathway' against the background of ontological realism.