The natural evolution of consciousness in different animal species mandates that conscious experiences are causally potent in order to confer any advantage in the struggle for survival. Any endeavor to construct a physical theory of consciousness based on emergence within the framework of classical physics, however, leads to causally impotent conscious experiences in direct contradiction to evolutionary theory since epiphenomenal consciousness cannot evolve through natural selection. Here, we review recent theoretical advances in describing sentience and free will as fundamental aspects (...) of reality granted by quantum physical laws. Modern quantum information theory considers quantum states as a physical resource that endows quantum systems with the capacity to perform physical tasks that are classically impossible. Reductive identification of conscious experiences with the quantum information comprised in quantum brain states allows for causally potent consciousness that is capable of performing genuine choices for future courses of physical action. The consequent evolution of brain cortical networks contributes to increased computational power, memory capacity, and cognitive intelligence of the living organisms. (shrink)

The evolution of the human mind through natural selection mandates that our conscious experiences are causally potent in order to leave a tangible impact upon the surrounding physical world. Any attempt to construct a functional theory of the conscious mind within the framework of classical physics, however, inevitably leads to causally impotent conscious experiences in direct contradiction to evolution theory. Here, we derive several rigorous theorems that identify the origin of the latter impasse in the mathematical properties of ordinary differential (...) equations employed in combination with the alleged functional production of the mind by the brain. Then, we demonstrate that a mind--brain theory consistent with causally potent conscious experiences is provided by modern quantum physics, in which the unobservable conscious mind is reductively identified with the quantum state of the brain and the observable brain is constructed by the physical measurement of quantum brain observables. The resulting quantum stochastic dynamics obtained from sequential quantum measurements of the brain is governed by stochastic differential equations, which permit genuine free will exercised through sequential conscious choices of future courses of action. Thus, quantum reductionism provides a solid theoretical foundation for the causal potency of consciousness, free will and cultural transmission. (shrink)

The essential biological processes that sustain life are catalyzed by protein nano-engines, which maintain living systems in far-from-equilibrium ordered states. To investigate energetic processes in proteins, we have analyzed the system of generalized Davydov equations that govern the quantum dynamics of multiple amide I exciton quanta propagating along the hydrogen-bonded peptide groups in α-helices. Computational simulations have confirmed the generation of moving Davydov solitons by applied pulses of amide I energy for protein α-helices of varying length. The stability and mobility (...) of these solitons depended on the uniformity of dipole-dipole coupling between amide I oscillators, and the isotropy of the exciton-phonon interaction. Davydov solitons were also able to quantum tunnel through massive barriers, or to quantum interfere at collision sites. The results presented here support a nontrivial role of quantum effects in biological systems that lies beyond the mechanistic support of covalent bonds as binding agents of macromolecular structures. Quantum tunneling and interference of Davydov solitons provide catalytically active macromolecular protein complexes with a physical mechanism allowing highly efficient transport, delivery, and utilization of free energy, besides the evolutionary mandate of biological order that supports the existence of such genuine quantum phenomena, and may indeed demarcate the quantum boundaries of life. (shrink)

Capacity of conscious agents to perform genuine choices among future alternatives is a prerequisite for moral responsibility. Determinism that pervades classical physics, however, forbids free will, undermines the foundations of ethics, and precludes meaningful quantification of personal biases. To resolve that impasse, we utilize the characteristic indeterminism of quantum physics and derive a quantitative measure for the amount of free will manifested by the brain cortical network. The interaction between the central nervous system and the surrounding environment is shown to (...) perform a quantum measurement upon the neural constituents, which actualize a single measurement outcome selected from the resulting quantum probability distribution. Inherent biases in the quantum propensities for alternative physical outcomes provide varying amounts of free will, which can be quantified with the expected information gain from learning the actual course of action chosen by the nervous system. For example, neuronal electric spikes evoke deterministic synaptic vesicle release in the synapses of sensory or somatomotor pathways, with no free will manifested. In cortical synapses, however, vesicle release is triggered indeterministically with probability of 0.35 per spike. This grants the brain cortex, with its over 100 trillion synapses, an amount of free will exceeding 96 terabytes per second. Although reliable deterministic transmission of sensory or somatomotor information ensures robust adaptation of animals to their physical environment, unpredictability of behavioral responses initiated by decisions made by the brain cortex is evolutionary advantageous for avoiding predators. Thus, free will may have a survival value and could be optimized through natural selection. (shrink)

Entanglement measures quantify the amount of quantum entanglement that is contained in quantum states. Typically, different entanglement measures do not have to be partially ordered. The presence of a definite partial order between two entanglement measures for all quantum states, however, allows for meaningful conceptualization of sensitivity to entanglement, which will be greater for the entanglement measure that produces the larger numerical values. Here, we have investigated the partial order between the normalized versions of four entanglement measures based on Schmidt (...) decomposition of bipartite pure quantum states, namely, concurrence, tangle, entanglement robustness and Schmidt number. We have shown that among those four measures, the concurrence and the Schmidt number have the highest and the lowest sensitivity to quantum entanglement, respectively. Further, we have demonstrated how these measures could be used to track the dynamics of quantum entanglement in a simple quantum toy model composed of two qutrits. Lastly, we have employed state-dependent entanglement statistics to compute measurable correlations between the outcomes of quantum observables in agreement with the uncertainty principle. The presented results could be helpful in quantum applications that require monitoring of the available quantum resources for sharp identification of temporal points of maximal entanglement or system separability. (shrink)

Macromolecular protein complexes catalyze essential physiological processes that sustain life. Various interactions between protein subunits could increase the effective mass of certain peptide groups, thereby compartmentalizing protein α-helices. Here, we study the differential effects of applied massive barriers upon the soliton-assisted energy transport within proteins. We demonstrate that excentric barriers, localized onto a single spine in the protein α-helix, reflect or trap three-spine solitons as effectively as concentric barriers with comparable total mass. Furthermore, wider protein solitons, whose energy is lower, (...) require heavier massive barriers for soliton reflection or trapping. Regulation of energy transport, delivery and utilization at protein active sites could thus be achieved through control of the soliton width, or of the effective mass of the protein subunits. (shrink)

The human mind is constituted by inner, subjective, private, first-person conscious experiences that cannot be measured with physical devices or observed from an external, objective, public, third-person perspective. The qualitative, phenomenal nature of conscious experiences also cannot be communicated to others in the form of a message composed of classical bits of information. Because in a classical world everything physical is observable and communicable, it is a daunting task to explain how an empirically unobservable, incommunicable consciousness could have any physical (...) substrates such as neurons composed of biochemical molecules, water, and electrolytes. The challenges encountered by classical physics are exemplified by a number of thought experiments including the inverted qualia argument, the private language argument, the beetle in the box argument and the knowledge argument. These thought experiments, however, do not imply that our consciousness is nonphysical and our introspective conscious testimonies are untrustworthy. The principles of classical physics have been superseded by modern quantum physics, which contains two fundamentally different kinds of physical objects: unobservable quantum state vectors, which define what physically exists, and quantum operators (observables), which define what can physically be observed. Identifying consciousness with the unobservable quantum information contained by quantum physical brain states allows for application of quantum information theorems to resolve possible paradoxes created by the inner privacy of conscious experiences, and explains how the observable brain is constructed by accessible bits of classical information that are bound by Holevo's theorem and extracted from the physically existing quantum brain upon measurement with physical devices. (shrink)

Dissident circles during the Czechoslovak communist regime were organized in semi-private islands of resistance. They saw themselves as a parallel polis in line with Arendt’s notion of political action by pursuing “life in truth,” authentic experience, and ultimately freedom. The heroes of these circles were that society’s pariahs. In their quest for authenticity, they turned to the past to find meaning, to understand the nature of their communities and the needs for political action towards the future. As such, they sought (...) what Heidegger would label authentic public interpretations. After 1989, these heroes shaped and adapted to the constitutional design of the new polis and often experienced a transformation from pariah to inauthentic hero to at least the potential to become strong man, maintaining varying degrees of authenticity. (shrink)

The brain is composed of electrically excitable neuronal networks regulated by the activity of voltage-gated ion channels. Further portraying the molecular composition of the brain, however, will not reveal anything remotely reminiscent of a feeling, a sensation or a conscious experience. In classical physics, addressing the mind–brain problem is a formidable task because no physical mechanism is able to explain how the brain generates the unobservable, inner psychological world of conscious experiences and how in turn those conscious experiences steer the (...) underlying brain processes toward desired behavior. Yet, this setback does not establish that consciousness is non-physical. Modern quantum physics affirms the interplay between two types of physical entities in Hilbert space: unobservable quantum states, which are vectors describing what exists in the physical world, and quantum observables, which are operators describing what can be observed in quantum measurements. Quantum no-go theorems further provide a framework for studying quantum brain dynamics, which has to be governed by a physically admissible Hamiltonian. Comprising consciousness of unobservable quantum information integrated in quantum brain states explains the origin of the inner privacy of conscious experiences and revisits the dynamic timescale of conscious processes to picosecond conformational transitions of neural biomolecules. The observable brain is then an objective construction created from classical bits of information, which are bound by Holevo’s theorem, and obtained through the measurement of quantum brain observables. Thus, quantum information theory clarifies the distinction between the unobservable mind and the observable brain, and supports a solid physical foundation for consciousness research. (shrink)

Our conscious minds exist in the Universe, therefore they should be identified with physical states that are subject to physical laws. In classical theories of mind, the mental states are identified with brain states that satisfy the deterministic laws of classical mechanics. This approach, however, leads to insurmountable paradoxes such as epiphenomenal minds and illusionary free will. Alternatively, one may identify mental states with quantum states realized within the brain and try to resolve the above paradoxes using the standard Hilbert (...) space formalism of quantum mechanics. In this essay, we first show that identification of mind states with quantum states within the brain is biologically feasible, and then elaborating on the mathematical proofs of two quantum mechanical no-go theorems, we explain why quantum theory might have profound implications for the scientific understanding of one's mental states, self identity, beliefs and free will. (shrink)

The electric activities of cortical pyramidal neurons are supported by structurally stable, morphologically complex axo-dendritic trees. Anatomical differences between axons and dendrites in regard to their length or caliber reflect the underlying functional specializations, for input or output of neural information, respectively. For a proper assessment of the computational capacity of pyramidal neurons, we have analyzed an extensive dataset of three-dimensional digital reconstructions from the NeuroMorphoOrg database, and quantified basic dendritic or axonal morphometric measures in different regions and layers of (...) the mouse, rat or human cerebral cortex. Physical estimates of the total number and type of ions involved in neuronal electric spiking based on the obtained morphometric data, combined with energetics of neurotransmitter release and signaling fueled by glucose consumed by the active brain, support highly efficient cerebral computation performed at the thermodynamically allowed Landauer limit for implementation of irreversible logical operations. Individual proton tunneling events in voltage-sensing S4 protein alpha-helices of Na+, K+ or Ca2+ ion channels are ideally suited to serve as single Landauer elementary logical operations that are then amplified by selective ionic currents traversing the open channel pores. This miniaturization of computational gating allows the execution of over 1.2 zetta logical operations per second in the human cerebral cortex without combusting the brain by the released heat. (shrink)

Biological order provided by α-helical secondary protein structures is an important resource exploitable by living organisms for increasing the efficiency of energy transport. In particular, self-trapping of amide I energy quanta by the induced phonon deformation of the hydrogen-bonded lattice of peptide groups is capable of generating either pinned or moving solitary waves following the Davydov quasiparticle/soliton model. The effect of applied in-phase Gaussian pulses of amide I energy, however, was found to be strongly dependent on the site of application. (...) Moving solitons were only launched when the amide I energy was applied at one of the α-helix ends, whereas pinned solitons were produced in the α-helix interior. In this paper, we describe a general mechanism that launches moving solitons in the interior of the α-helix through phase-modulated Gaussian pulses of amide I energy. We also compare the predicted soliton velocity based on effective soliton mass and the observed soliton velocity in computer simulations for different parameter values of the isotropy of the exciton-phonon interaction. The presented results demonstrate the capacity for explicit control of soliton velocity in protein α-helices, and further support the plausibility of gradual optimization of quantum dynamics for achieving specialized protein functions through natural selection. (shrink)

Protein α-helices provide an ordered biological environment that is conducive to soliton-assisted energy transport. The nonlinear interaction between amide I excitons and phonon deformations induced in the hydrogen-bonded lattice of peptide groups leads to self-trapping of the amide I energy, thereby creating a localized quasiparticle (soliton) that persists at zero temperature. The presence of thermal noise, however, could destabilize the protein soliton and dissipate its energy within a finite lifetime. In this work, we have computationally solved the system of stochastic (...) differential equations that govern the quantum dynamics of protein solitons at physiological temperature, T=310 K, for either a single isolated α-helix spine of hydrogen bonded peptide groups or the full protein α-helix comprised of three parallel α-helix spines. The simulated stochastic dynamics revealed that although the thermal noise is detrimental for the single isolated α-helix spine, the cooperative action of three amide I exciton quanta in the full protein α-helix ensures soliton lifetime of over 30 ps, during which the amide I energy could be transported along the entire extent of an 18-nm-long α-helix. Thus, macromolecular protein complexes, which are built up of protein α-helices could harness soliton-assisted energy transport at physiological temperature. Because the hydrolysis of a single adenosine triphosphate molecule is able to initiate three amide I exciton quanta, it is feasible that multiquantal protein solitons subserve a variety of specialized physiological functions in living systems. (shrink)

Článek ukazuje pohled na utváření novověké koncepce pokroku v dílech Bernarda Le Boviera de Fontenelle. Idea pokroku byla poprvé přesně zformulována právě ve Fontenellových pracích. Podnětem pro Fontenellovy úvahy byla intelektuální debata querelle des anciens et des modernes. Tato diskuze měla rozhodnout o nadřazenosti novověku nad antikou nebo naopak. Fontenelle se debaty účastnil a závěry, k nimž došel, dovršily jeho teorii pokroku, jíž se věnoval nejen téměř ve všech pracích, ale též ve chvalořečích.

Freiwilligkeit, personale Identität (im Sinne eines harmonisch verfassten und stabilen Selbst) und epistemische Gewissheit sind bei den meisten antiken Philosophieschulen untrennbar miteinander verbunden und garantieren im Rahmen einer als Lebenskunst verstandenen Philosophie das Glück. Im Anlehnung an Überlegungen bei Aristoteles und dem zeitgenössischen Philosophen Peter Bieri analysieren wir, wie Entscheidungen, die zum Zeitpunkt ihres Treffens als bedingt frei und selbstbestimmt wahrgenommen wurden, im Nachhinein vom Han-delnden aufgrund des damals fehlenden Wissens über die Handlungsumstände als unfrei wahrgenommen werden und zu Erfahrungen (...) der Selbstentfremdung führen können. Anknüpfend an Pamela Hieronymis Unterscheidung zwischen zwei Formen der Ausübung mentaler Freiheit zeigen wir anhand von fiktiven Fallbeispielen, wie die Protagonisten trotz epistemischer Ungewissheit zur Autorität über ihren Geist sowie zu einer funktionalen Selbstbeziehung zurückfinden können, und stellen dies in den Kontext einer zeitgenössischen Philosophie als Lebenskunst. (shrink)

Feynman's sum-over-histories formulation of quantum mechanics has been considered a useful calculational tool in which virtual Feynman histories entering into a coherent quantum superposition cannot be individually measured. Here we show that sequential weak values, inferred by consecutive weak measurements of projectors, allow direct experimental probing of individual virtual Feynman histories, thereby revealing the exact nature of quantum interference of coherently superposed histories. Because the total sum of sequential weak values of multitime projection operators for a complete set of orthogonal (...) quantum histories is unity, complete sets of weak values could be interpreted in agreement with the standard quantum mechanical picture. We also elucidate the relationship between sequential weak values of quantum histories with different coarse graining in time and establish the incompatibility of weak values for nonorthogonal quantum histories in history Hilbert space. Bridging theory and experiment, the presented results may enhance our understanding of both weak values and quantum histories. (shrink)

This study is intended to provide in-depth insights into how design thinking and creativity issues are understood and possibly evolve in the course of design discussions in a company context. For that purpose, we use the seminar transcripts of the Design Thinking Research Symposium 12 (DTRS12) dataset “Tech-centred Design Thinking: Perspectives from a Rising Asia,” which are primarily concerned with how Korean companies implement design thinking and what role designers currently play. We employed a novel method of information processing based (...) on constructed dynamic semantic networks to investigate the seminar discussions according to company representatives and company size. We compared the quantitative dynamics in two seminars: the first involved managerial representatives of four companies, and the second involved specialized designers and management of a design center of single company. On the basis of dynamic semantic networks, we quantified the changes in four semantic measures—abstraction, polysemy, information content, and pairwise word similarity—in chronologically reconstructed individual design-thinking processes. Statistical analyses show that design thinking in the seminar with four companies, exhibits significant differences in the dynamics of abstraction, polysemy, and information content, compared to the seminar with the design center of single company. Both the decrease in polysemy and abstraction and the increase in information content in the individual design-thinking processes in the seminar with four companies indicate that design managers are focused on more concrete design issues, with more information and less ambiguous content to the final design product. By contrast, specialized designers manifest more abstract thinking and appear to exhibit a slightly higher level of divergence in their design processes. The results suggest that design thinking and creativity issues are articulated differently depending on designer roles and the company size. (shrink)

Human creativity generates novel ideas to solve real-world problems. This thereby grants us the power to transform the surrounding world and extend our human attributes beyond what is currently possible. Creative ideas are not just new and unexpected, but are also successful in providing solutions that are useful, efficient and valuable. Thus, creativity optimizes the use of available resources and increases wealth. The origin of human creativity, however, is poorly understood, and semantic measures that could predict the success of generated (...) ideas are currently unknown. Here, we analyze a dataset of design problem-solving conversations in real-world settings by using 49 semantic measures based on WordNet 3.1 and demonstrate that a divergence of semantic similarity, an increased information content, and a decreased polysemy predict the success of generated ideas. The first feedback from clients also enhances information content and leads to a divergence of successful ideas in creative problem solving. These results advance cognitive science by identifying real-world processes in human problem solving that are relevant to the success of produced solutions and provide tools for real-time monitoring of problem solving, student training and skill acquisition. A selected subset of information content (IC Sánchez–Batet) and semantic similarity (Lin/Sánchez–Batet) measures, which are both statistically powerful and computationally fast, could support the development of technologies for computer-assisted enhancements of human creativity or for the implementation of creativity in machines endowed with general artificial intelligence. (shrink)

In the beginning of the 20th century the groundbreaking work of Ramon y Cajal firmly established the neuron doctrine, according to which neurons are the basic structural and functional units of the nervous system. Von Weldeyer coined the term “neuron” in 1891, but the huge leap forward in neuroscience was due to Cajal’s meticulous microscopic observations of brain sections stained with an improved version of Golgi’s la reazione nera (black reaction). The latter improvement of Golgi’s technique made it possible to (...) visualize the arborizations of single neurons that were “colored brownish black even to their finest branchlets, standing out with unsurpassable clarity upon a transparent yellow background. All was sharp as a sketch with Chinese ink”. The high quality of both the visualization of individual nerve cells and the work performed on studying the anatomy of the central nervous system lead Ramon y Cajal to the conclusion that axons output the nervous impulses to the dendrites or the soma of other target neurons. (shrink)

Altruismus scheint im Alltagsverständnis seinen uneingeschränkt positiven Ruf als ebenso wünschenswerte wie seltene Tugend verloren zu haben und durch ein Ethos des Eigennutzens ersetzt worden zu sein. Angesichts globaler Krisen wie dem Klimawandel, großer Flüchtlingsbewegungen, Kriege und Armut ist die Bereitschaft zur Verhaltensänderung bzw. zum Verzicht zugunsten kommender Generationen oder hilfsbedürftiger Menschen weniger selbstverständlich als das Phänomen der psychologischen Reaktanz und die Weigerung, Einschränkungen der persönlichen Freiheit oder des Konsums hinzunehmen. Zeitgenössische Ethikerinnen und Ethiker müssen sich demnach mit der Frage (...) nach der Motivation für ein Handeln auseinandersetzen, das in erster Linie nicht dem eigenen Wohl, sondern dem Wohl anderer dient. In diesem Sinne beleuchtet der vorliegende Band das Thema Altruismus in seinen verschiedenen, wechselseitig aufeinander verweisenden Facetten: Wie ist das Wesen altruistischen Handelns zu bestimmen? Liegt Altruismus in der Natur des Menschen? Lässt sich Altruismus widerspruchsfrei in verschiedene Ethiktypen einordnen? Wie verstehen verschiedene philosophische Traditionen und Religionen den Altruismus? In welchem Verhältnis steht der Altruismus zum guten Leben? Und: Wie ist altruistisches Handeln motiviert? Da diese Fragen in verschiedenen Fachwissenschaften und mit unterschiedlichen Perspektivierungen gestellt werden, ist dieser Sammelband interdisziplinär konzipiert: Philosophie und Religionswissenschaft kommen ebenso zu Wort wie Verhaltensökonomie und Evolutionsbiologie. Auch anthropologische, soziologische und psychologische Zusammenhänge werden beleuchtet. Dementsprechend richten sich die hier versammelten Aufsätze an ein sehr breit gefächertes akademisches Publikum, aber auch an eine interessierte öffentliche Leserschaft außerhalb des universitären Kontexts. Mit Blick auf diese Zielgruppen führen die einzelnen Beiträge in das jeweilige Thema ein und präsentieren gleichzeitig eine eigene Forschungsposition der Autorin bzw. des Autors. -/- . (shrink)

This essay examines the status of events of 1989 in Czechoslovakia from an Arendtian perspective, focusing on whether they qualify as a revolution or even, precisely speaking, a modern event. For Arendt, revolutions are decidedly modern in that they expand freedom to all equally, an expansion conceivable because history can be thought of as rectilinear and because new ideas can be introduced into the secular world. Leaving aside the importance of violence as a criterion, we find that 1989 in Czechoslovakia (...) does not live up to her other criteria, nor does it make sense to call it either modern or postmodern. We thus claim that it is an ‘immodern’, non-revolutionary event. In concluding, we nd that its immodernity is why it failed to be a revolution. (shrink)

Does the polis face the demos with hostility? Do citizens contest the city? Is a people in opposed separation from its political institutions? A multidisciplinary collection on people and the institutions they find themselves in and under, the essays here engage questions of the individual , communities, leadership, populism, citizenship, social media, and technology. The collection includes work by philosophers, political scientists, and political theorists using quantitative, historical, and hermeneutical methodologies to take on some of the most pressing issues of (...) our historical moment. (shrink)

Recenze: Robert Goulding. Defending Hypatia: Ramus, Savile and the Renaissance Rediscovery of Mathematical History, New York: Springer, 2010, 201 s.

The terms “collaborative economy” or “sharing economy” have been commonly used in recent years to refer to a proliferation of initiatives, business models and forms of work. To observe this significant phenomenon is necessary to take into consideration a new perspective on social, economic, environmental, and political processes that can be created from a number of assets and skills, in innovative ways and at an unprecedented scale. Using of digital technologies for collaboration, communication, coordination, and value creation purposes is included (...) under the same umbrella of the collaborative economy. Market-focused digital innovation is able to disrupt existing business models and support economic activity. The situation in the area of the collaborative economy in Slovakia seems to be different from that of the Western European countries. Data from the area of sharing economy are not registered with the Statistical Office of the Slovak Republic, and there is no analysis examining its impact. We introduce a short summary of case studies examining the collaborative economy platforms in Slovakia and some issues of taxation of the collaborative economy. (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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