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

The type-level abstraction is a formal way to represent molecular structures in biological practice. Graphical representations of molecular structures of biological objects are also used to identify functional processes of things. This paper will reveal that category theory is a formal mathematical language not only to visualize molecular structures of biological objects as type-level abstraction formally but also to understand how to infer biological functions from the molecular structures of biological objects. Category theory is a (...) toolkit to understand biological knowledge at the type-level formally, not individual token-level, as well as typical heuristic strategies in molecular biology. (shrink)

In this paper, I defend the agent/patient distinction against critics who argue that causal interactions are symmetrical. Specifically, I argue that there is a widespread type of causal interaction between distinct entities, resulting in a type of ontological asymmetry that provides principled grounds for distinguishing agents from patients. The type of interaction where the asymmetry is found is when one of the entities undergoes a change in kind, structure, powers, or intrinsic properties as a result of the interaction while the (...) other does not. Interactions of this type are widespread in molecular biology and chemistry. I focus specifically on (i) the actions of enzymes on substrates and (ii) water molecules breaking the bonds of polarized molecules. Finally, I respond to objections by laying out and to a limited extent defending three commitments of my account: emergent entities and powers, realism about chemical kinds or structures, and the assumption of the agent/patient distinction in functional attributions in biology. (shrink)

Numerous research groups are now utilizing Basic Formal Ontology as an upper-level framework to assist in the organization and integration of biomedical information. This paper provides elucidation of the three existing BFO subcategories of realizable entity, namely function, role, and disposition. It proposes one further sub-category of tendency, and considers the merits of recognizing two sub-categories of function for domain ontologies, namely, artifactual and biological function. The motivation is to help advance the coherent ontological treatment of functions, roles, and (...) dispositions, to help provide the potential for more detailed classification, and to shed light on BFO’s general make-up and use. (shrink)

The realm of non-sentential propositionality and purely functional rationality force of which enables (otherwise non-sentential) incessant subconscious inter-translation of psychological and physical. Nietzsche: there are more wisdom in your body than in your deepest philosophy.

We characterize a type of functional explanation that addresses why a homologous trait originating deep in the evolutionary history of a group remains widespread and largely unchanged across the group’s lineages. We argue that biologists regularly provide this type of explanation when they attribute conserved functions to phenotypic and genetic traits. The concept of conserved function applies broadly to many biological domains, and we illustrate its importance using examples of molecular sequence alignments at the intersection of evolution and (...) cell biology. We use these examples to show how the study of conserved functions can integrate knowledge of a trait’s causal effects on fitness and its history of natural selection without invoking adaptation. We also show how conserved function provides a novel basis for addressing objections against evolutionary functions raised by Robert Cummins. (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)

The Aristotelian axiom that function follows form was beautifully instantiated in molecular biology by the discovery of DNA’s structure that immediately suggested how DNA might work as depository and vehicle for genetic information. However, later on molecular biology became infatuated with the gene that became the center of the universe. This gene-centered viewpoint is an obstacle for the emerging field of evo-devo aiming at finding the causal connections between evolution and biological development. Here it is argued that (...) class='Hi'>molecular biology must reject the narrow-minded causality associated with the gene-centered view and so it must recover to the spirit of Aristotelian natural history and its four types of causation in order to foster the evo-devo field of research. (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 paper, we will explore the relation between molecular structure and functions displayed by biochemical molecules in complex physiological processes by using tools from the philosophy of science and the philosophy of scientific practice. We will argue that biochemical functions are weakly emergent from molecular structure by using an account of weak. In order to explore this thesis, we will consider the role of vitamin B12 in contributing to the process of erythropoiesis. The structure of (...) the paper is the following: First, we will consider biochemical functions and why they cannot be easily reduced to their chemical realisers. We will suggest weak emergence as an alternative while also accounting for the relevance of the context, in our case, systemic and organisational. The paper will conclude by considering (1) how the usage of tools from the philosophy of science, such as weak emergence, can aid our understanding of the relations between the components of complex phenomena, such as erythropoiesis, and (2) how the philosophy of scientific practice sheds light on the explanatory role of processes that are dynamically stabilised and the different levels of organisation implied. (shrink)

Within the sedimentation diagram of infective RNA preparations isolated from Tobacco Mosaic Virus, undegraded molecules form a sharp peak with a molecular weight corresponding to the total RNA content of the virus particle. Degradation kinetics by ribonuclease is of the linear, single-target type, indicating that the RNA is single-stranded. The intact RNA of a virus particle thus forms one big single-stranded molecule. Quantitative evaluation of the effect degradation by RNA-ase on the infectivity of the RNA shows that the integrity (...) of the entire molecule is required for its biological activity. (shrink)

Cancer biology features the ascription of normal functions to parts of cancers. At least some ascriptions of function in cancer biology track local normality of parts within the global abnormality of the aberration to which those parts belong. That is, cancer biologists identify as functions activities that, in some sense, parts of cancers are supposed to perform, despite cancers themselves having no purpose. The present paper provides a theory to accommodate these normal function ascriptions—I call it the Modeling (...) Account of Normal Function (MA). MA comprises two claims. First, normal functions are activities whose performance by the function-bearing part contributes to the self-maintenance of the whole system and, thereby, results in the continued presence of that part. Second, MA holds that models of system-level activities that are (partly) constitutive of self-maintenance are improved by including a representation of the relevant function-bearing part and by making reference to the activity/activities that part performs which contribute(s) to those system-level activities. I contrast MA with two other accounts that seek to explicate the ascription of normal functions in biology, namely, the organizational account and the selected effects account. Both struggle to extend to cancer biology. However, I offer ecumenical readings which allow them to recover some ascriptions of normal function to parts of cancers. So, though I contend that MA excels in this respect, the purpose of this paper is served if it provides materials for bridging the gap between cancer biology, philosophy of cancer, and the literature on function. (shrink)

Kurt Gödel wrote (1964, p. 272), after he had read Husserl, that the notion of objectivity raises a question: “the question of the objective existence of the objects of mathematical intuition (which, incidentally, is an exact replica of the question of the objective existence of the outer world)”. This “exact replica” brings to mind the close analogy Husserl saw between our intuition of essences in Wesensschau and of physical objects in perception. What is it like to experience a mathematical proving (...) process? What is the ontological status of a mathematical proof? Can computer assisted provers output a proof? Taking a naturalized world account, I will assess the relationship between mathematics, the physical world and consciousness by introducing a significant conceptual distinction between proving and proof. I will propose that proving is a phenomenological conscious experience. This experience involves a combination of what Kurt Gödel called intuition, and what Husserl called intentionality. In contrast, proof is a function of that process — the mathematical phenomenon — that objectively self-presents a property in the world, and that results from a spatiotemporal unity being subject to the exact laws of nature. In this essay, I apply phenomenology to mathematical proving as a performance of consciousness, that is, a lived experience expressed and formalized in language, in which there is the possibility of formulating intersubjectively shareable meanings. (shrink)

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)

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)

Plants from a handful of species provide the primary source of food for all people, yet this source is vulnerable to multiple stressors, such as disease, drought, and nutrient deficiency. With rapid population growth and climate uncertainty, the need to produce crops that can tolerate or resist plant stressors is more crucial than ever. Traditional plant breeding methods may not be sufficient to overcome this challenge, and methods such as highOthroughput sequencing and automated scoring of phenotypes can provide significant new (...) insights. Ontologies are essential tools for accessing and analysing the large quantities of data that come with these newer methods. As part of a larger project to develop ontologies that describe plant phenotypes and stresses, we are developing a plant disease extension of the Infectious Disease Ontology (IDOPlant). The IDOPlant is envisioned as a reference ontology designed to cover any plant infectious disease. In addition to novel terms for infectious diseases, IDOPlant includes terms imported from other ontologies that describe plants, pathogens, and vectors, the geographic location and ecology of diseases and hosts, and molecular functions and interactions of hosts and pathogens. To encompass this range of data, we are suggesting inOhouse ontology development complemented with reuse of terms from orthogonal ontologies developed as part of the Open Biomedical Ontologies (OBO) Foundry. The study of plant diseases provides an example of how an ontological framework can be used to model complex biological phenomena such as plant disease, and how plant infectious diseases differ from, and are similar to, infectious diseases in other organism. (shrink)

The present thesis explores some metaphysical issues concerning biochemical kinds and the relations between chemical and biological properties and phenomena. The main result of this thesis is that there is something sui generis about biochemical kinds. This result is motivated by two theoretical steps. The first is characterising biochemical functions as weakly emergent from the chemical structure [Chapter 3, Chapter 6]. The second is via an account for which biochemical kinds are natural categories [Chapter 4, Chapter 7]. The thesis (...) comprises four parts. Part I [Chapter 1, Chapter 2] aims to offer the methodological and conceptual tools that underpin this research. Chapter 1 presents the debate on the unity of science and the motivation of the research. Chapter 2 presents the account of natural kinds that will be used throughout the thesis. Part II [Chapter 3, Chapter 4] offers a detailed metaphysical analysis of the molecular gene. Chapter 3 argues that molecular genes are weakly emergent from nucleic acids. Chapter 4 argues that the category "molecular gene" can be deemed a natural kind, following the account presented in Chapter 2. Part III [Chapter 5, Chapter 6, Chapter 7] explores some of the themes related to biochemical kinds and generalises some of the results from Part II. Chapter 5 considers biochemical functions and how functional attribution should be interpreted for biochemical molecules. Chapter 6 considers the relation between biochemical functions and structure, spelt in terms of weak emergence and explores unity in biochemistry. Chapter 7 considers the topic of biochemical kinds per se and argues that biochemical kinds are natural categories. Part IV [Chapter 8] elucidates the main outcome and the implications that this research can have for future discussion in the philosophy and metaphysics of biochemistry and the unity of science. (shrink)

This paper investigates Wittgenstein’s account of the relation between elementary and molecular propositions (and thus, also, the propositions of logic) in the Tractatus Logico-Philosophicus. I start by sketching a natural reading of that relation – which I call the “bipartite reading” – holding that the Tractatus gives an account of elementary propositions, based on the so-called picture theory, and a different account of molecular ones, based on the principle of truth- functionality. I then show that such a reading (...) cannot be attributed to Wittgenstein, because he holds the view that an explanation of logical complexity is already given by a correct account of the (pictorial) nature of elementary propositions; this is implied in his claim that “an elementary proposition contains all logical constants/operations in itself”. After clarifying Wittgenstein’s notion of an operation from the Notes on Logic to the Tractatus, I finally explain why Wittgenstein claims that an elementary proposition contains all logical operations in itself, and hence why he can be said to provide a unified (and thus not bipartite) account of language and logic. (shrink)

Although molecular biology, genetics, and related special disciplines represent a large amount of empirical data, a practical method for the evaluation and overview of current knowledge is far from being realized. The main concepts and narratives in these fields have remained nearly the same for decades and the more recent empirical data concerning the role of noncoding RNAs and persistent viruses and their defectives do not fit into this scenario. A more innovative approach such as applied biocommunication theory could (...) translate empirical data into a coherent perspective on the functions within and between biological organisms and arguably lead to a sustainable integrative biology. (shrink)

Recent philosophy of science has seen a number of attempts to understand scientific models by looking to theories of fiction. In previous work, I have offered an account of models that draws on Kendall Walton’s ‘make-believe’ theory of art. According to this account, models function as ‘props’ in games of make-believe, like children’s dolls or toy trucks. In this paper, I assess the make-believe view through an empirical study of molecular models. I suggest that the view gains support when (...) we look at the way that these models are used and the attitude that users take towards them. Users’ interaction with molecular models suggests that they do imagine the models to be molecules, in much the same way that children imagine a doll to be a baby. Furthermore, I argue, users of molecular models imagine themselves viewing and manipulating molecules, just as children playing with a doll might imagine themselves looking at a baby or feeding it. Recognising this ‘participation’ in modelling, I suggest, points towards a new account of how models are used to learn about the world, and helps us to understand the value that scientists sometimes place on three-dimensional, physical models over other forms of representation. (shrink)

The Emotion Ontology is an ontology covering all aspects of emotional and affective mental functioning. It is being developed following the principles of the OBO Foundry and Ontological Realism. This means that in compiling the ontology, we emphasize the importance of the nature of the entities in reality that the ontology is describing. One of the ways in which realism-based ontologies are being successfully used within biomedical science is in the annotation of scientific research results in publicly available databases. Such (...) annotation enables several objectives, including searching, browsing and cross-database data integration. A key benefit conferred by realismbased ontology is that suitably annotated research results are able to be aggregated and compared in a fashion that is based on the underlying reality that the science is studying. This has the potential of increasing the power of statistical analysis and meta-analysis in data-driven science. This aspect has been fruitfully exploited in the investigation of the functions of genes in molecular biology. Cognitive neuroscience uses functional neuroimaging to investigate the brain correlates of areas of mental functioning such as memory, planning and emotion. The use of functional neuroimaging to study affective phenomena such as the emotions is called ‘affective neuroscience’. BrainMap is the largest curated database of coordinates and metadata for studies in cognitive neuroscience, including affective neuroscience (Laird et al., 2005). BrainMap data is already classified and indexed using a terminology for classification, called the ‘Cognitive Paradigm Ontology’ (CogPO), that has been developed to facilitate searching and browsing. However, CogPO has been developed specifically for the BrainMap database, and the data are thus far not annotated to a realism-based ontology which would allow the discovery of interrelationships between research results across different databases on the basis of what the research is about. In this contribution, we describe ongoing work that aims to annotate affective neuroscience data, starting with the BrainMap database, using the Emotion Ontology. We describe our objectives and technical approach to the annotation, and mention some of the challenges. (shrink)

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

In his 1918 logical atomism lectures, Russell argued that there are no molecular facts. But he posed a problem for anyone wanting to avoid molecular facts: we need truth-makers for generalizations of molecular formulas, but such truth-makers seem to be both unavoidable and to have an abominably molecular character. Call this the problem of generalized molecular formulas. I clarify the problem here by distinguishing two kinds of generalized molecular formula: incompletely generalized molecular formulas (...) and completely generalized molecular formulas. I next argue that, if empty worlds are logically possible, then the model-theoretic and truth-functional considerations that are usually given address the problem posed by the first kind of formula, but not the problem posed by the second kind. I then show that Russell’s commitments in 1918 provide an answer to the problem of completely generalized molecular formulas: some truth-makers will be non-atomic facts that have no constituents. This shows that the neo-logical atomist goal of defending the principle of atomicity—the principle that only atomic facts are truth-makers—is not realizable. (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)

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)

Are the special sciences autonomous from physics? Those who say they are need to explain how dependent special science properties could feature in irreducible causal explanations, but that’s no easy task. The demands of a broadly physicalist worldview require that such properties are not only dependent on the physical, but also physically realized. Realized properties are derivative, so it’s natural to suppose that they have derivative causal powers. Correspondingly, philosophical orthodoxy has it that if we want special science properties to (...) bestow genuinely new causal powers, we must reject physical realization and embrace a form of emergentism, in which such properties arise from the physical by mysterious brute determination. In this paper, I argue that contrary to this orthodoxy, there are physically realized properties that bestow new causal powers in relation to their realizers. The key to my proposal is to reject causal-functional accounts of realization and embrace a broader account that allows for the realization of shapes and patterns. Unlike functional properties, such properties are defined by qualitative, non-causal specifications, so realizing them does not consist in bestowing causal powers. This, I argue, allows for causal novelty of the strongest kind. I argue that the molecular geometry of H2O—a qualitative, multiply realizable property—plays an irreducible role in explaining its dipole moment, and thereby bestows novel powers. On my proposal, special science properties can have the kind of causal novelty traditionally associated with strong emergence, without any of the mystery. (shrink)

The scientific study of living organisms is permeated by machine and design metaphors. Genes are thought of as the ‘‘blueprint’’ of an organism, organisms are ‘‘reverse engineered’’ to discover their func- tionality, and living cells are compared to biochemical factories, complete with assembly lines, transport systems, messenger circuits, etc. Although the notion of design is indispensable to think about adapta- tions, and engineering analogies have considerable heuristic value (e.g., optimality assumptions), we argue they are limited in several important respects. In (...) particular, the analogy with human-made machines falters when we move down to the level of molecular biology and genetics. Living organisms are far more messy and less transparent than human-made machines. Notoriously, evolution is an oppor- tunistic tinkerer, blindly stumbling on ‘‘designs’’ that no sensible engineer would come up with. Despite impressive technological innovation, the prospect of artificially designing new life forms from scratch has proven more difficult than the superficial analogy with ‘‘programming’’ the right ‘‘software’’ would sug- gest. The idea of applying straightforward engineering approaches to living systems and their genomes— isolating functional components, designing new parts from scratch, recombining and assembling them into novel life forms—pushes the analogy with human artifacts beyond its limits. In the absence of a one-to-one correspondence between genotype and phenotype, there is no straightforward way to imple- ment novel biological functions and design new life forms. Both the developmental complexity of gene expression and the multifarious interactions of genes and environments are serious obstacles for ‘‘engi- neering’’ a particular phenotype. The problem of reverse-engineering a desired phenotype to its genetic ‘‘instructions’’ is probably intractable for any but the most simple phenotypes. Recent developments in the field of bio-engineering and synthetic biology reflect these limitations. Instead of genetically engi- neering a desired trait from scratch, as the machine/engineering metaphor promises, researchers are making greater strides by co-opting natural selection to ‘‘search’’ for a suitable genotype, or by borrowing and recombining genetic material from extant life forms. (shrink)

I consider some hitherto unexplored examples of teleological language in the sciences. In explicating these examples, I aim to show (a) that such language is not the sole preserve of the biological sciences, and (b) that not all such talk is reducible to the ascription of functions. In chemistry and biochemistry, scientists explaining molecular rearrangements and protein folding talk informally of molecules rearranging “in order to” maximize stability. Evolutionary biologists, meanwhile, often speak of traits evolving “in order to” (...) optimize some fitness-relevant variable. I argue that in all three contexts such locutions are best interpreted as shorthands for more detailed explanations which, were we to spell them out in full, would show that the relevant process would robustly converge towards the same end-point despite variation in initial conditions. This suggests that, in biology, such talk presupposes a substantial form of adaptationism. The upshot is that such shorthands may be more applicable in the physical sciences than the biological. (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)

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

Systems biologists often distance themselves from reductionist approaches and formulate their aim as understanding living systems “as a whole.” Yet, it is often unclear what kind of reductionism they have in mind, and in what sense their methodologies would offer a superior approach. To address these questions, we distinguish between two types of reductionism which we call “modular reductionism” and “bottom-up reductionism.” Much knowledge in molecular biology has been gained by decomposing living systems into functional modules or through detailed (...) studies of molecular processes. We ask whether systems biology provides novel ways to recompose these findings in the context of the system as a whole via computational simulations. As an example of computational integration of modules, we analyze the first whole-cell model of the bacterium M. genitalium. Secondly, we examine the attempt to recompose processes across different spatial scales via multi-scale cardiac models. Although these models rely on a number of idealizations and simplifying assumptions as well, we argue that they provide insight into the limitations of reductionist approaches. Whole-cell models can be used to discover properties arising at the interfaces of dynamically coupled processes within a biological system, thereby making more apparent what is lost through decomposition. Similarly, multi-scale modeling highlights the relevance of macroscale parameters and models and challenges the view that living systems can be understood “bottom-up.” Specifically, we point out that system-level properties constrain lower-scale processes. Thus, large-scale modeling reveals how living systems at the same time are more and less than the sum of the parts. (shrink)

This book (in German) on "Physics, life and mind" is on the physical foundations of modern biology. The basic features of living systems, reproduction, mutation and metabolism, can be explained in terms of molecular processes involving nucleic acids as genetic material, and proteins as catalysts. The generation of structure and form in each generation results from spatiotemporal gene regulation in conjunction with the de novo formation of spatial order in which interplays of activation and inhibition play a crucial part. (...) Brain functions can be understood in terms of information processing in neural networks. Fundamental limitations of explanations of biological phenomena on the basis of physics are expected for the relation between neural and mental states, which may not be fully decodable by finite procedures. A complete algorithmic theory of the human mind encompassing all, including self-referential, aspects appears to be impossible even in principle, not only in practice. The range and limitations of explanations of life on the basis of physical laws and processes reflect the scope and limits of science in general. In contrast to the notions in circulation in the 19th century, modern science is open at the metatheoretical level to different philosophical, cultural and religious interpretations of man and the universe. -/- . (shrink)

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

Embodied cognitive science has argued that cognition is embodied principally in virtue of grossmorphological and sensorimotor features. This thesis argues that cognition is also internally embodied in affective and fine-grained physiological features whose transformative roles remain mostly unnoticed in contemporary cognitive science. I call this ‘proper embodiment’. I approach this larger subject by examining various emotion theories in philosophy and psychology. These tend to emphasise one of the many gross components of emotional processes, such as ‘feeling’ or ‘judgement’ to the (...) detriment of the others, often leading to an artificial emotion-cognition distinction even within emotion science itself. Attempts to reconcile this by putting the gross components back together, such as JessePrinz’s “embodied appraisal theory”, are, I argue, destined to failure because the vernacular concept of emotion which is used as the explanandum is not a natural kind and is not amenable to scientific explication.I examine Antonio Damasio’s proposal that emotion is involved in paradigmatic ‘cognitive’ processing such as rational decision making and argue (1) that the research he discusses does not warrant the particular hypothesis he favours, and (2) that Damasio’s account, though in many ways a step in the right direction, nonetheless continues to endorse a framework which sees affect and cognition as separate (though now highly interacting) faculties. I further argue that the conflation of ‘affect’ and 'emotion' may be the source of some confusion in emotion theory and that affect needs to be properly distinguished from ‘emotion’. I examine some dissociations in the pain literature which give us further empirical evidence that, as with the emotions, affect is a distinct component along with more cognitive elements of pain. I then argue that affect is distinctive in being grounded in homeostatic regulative activity in the body proper. With the distinction between affect, emotion, and cognition in hand, and the associated grounding of affect in bodily activity, I then survey evidence that bodily affect is also involved in perception and in paradigmatic cognitive processes such as attention and executive function. I argue that this relation is not ‘merely’ casual. Instead, affect (grounded in fine-grained details of internal bodily activity) is partially constitutive of cognition, participating in cognitive processing and contributing to perceptual and cognitive phenomenology. Finally I review some work in evolutionary robotics which reaches a similar conclusion, suggesting that the particular fine details of embodiment, such as molecular signalling between both neural and somatic cells matters to cognition. I conclude that cognition is properly embodied’ in that it is partially constituted by the many fine-grained bodily processes involved in affect (as demonstrated in the thesis) and plausibly by a wide variety of other fine-grained bodily processes that likewise tend to escape the net of contemporary cognitive science. (shrink)

● Any given placement (e.g. Sun in Taurus; Mars in Capricorn; Mercury in the third house) is necessarily common to tens of thousands of people. Saturn in the ninth house, for example, will not behave the same or produce the same effects in the twenty or one hundred charts in which we find it there. In each case Saturn will behave in accordance with the rest of the astrographic/chart composition (as if we stayed in the same hotel in different epochs (...) or different people contracted the same disease; our stay will be different each time, according to the epoch, and each person’s symptoms will too, be different, according to their individual biochemistry; not to mention that each chart or astrography, like each genetic code or sequence, is unrepeatable). Certainly, “no planet can produce, on its own, what only the combined or concerted action of all can” (BUSTAMANTE, 2023, SPICA magazine, pp. 93-111). Hence the synergistic nature of the interpretative exercise (i.e., the whole is greater than all its parts). The fundamental component of the mathematical expression of the interpretive exercise is: astrological triangulation, the functional denomination for what we know as synthesis (WEISS, 1946; LEO, 1983, HAND, 1981). In order to demonstrate its usefulness, as well as the convenience of its mathematical expression, we have chosen two individuals (JEFFREY DAHMER, STEVEN SPIELBERG) whose astrographies do not—according to the community—explain their lives. The rest of the astrographies correspond to those of serial killers JOHN WAYNE GACY, DAVID CARPENTER, and TED BUNDY. ● We explain, by means of algebraic notations, the synthesis and the functional values that make up the synthesis. ● We take the Moon and Neptune as relevant bodies for the purpose of diagnosing or studying endocrine or neurohormonal issues, and Mars, Pluto, and Saturn as relevant planets for the purpose of inferring violence or sinister behaviour, upon the case, and quadratures or oppositions—and conjunctions—between Venus and the Moon, the Moon and Neptune, and the Sun or Venus and Neptune or Uranus as indicators of neurohormonal disorders and/or sexual deviance (APA definition) . ● We consider quadratures (90º) or oppositions (180º)—and conjunctions—between Mercury or the Moon and Saturn, or between Mars or the Moon and Saturn, Uranus, Neptune, and/or Pluto as powerful indications of violence or mental disorders, upon the case. ● We have also regarded Sagittarius as a sign as expansive and abundant as its ruler, Jupiter, according to the best of its characterisations (or as an exceptionally swift and wild sign, according to other characterisations), and the fifth region of a natal chart as one closely related to fortune in a broad sense (material and immaterial). ● Because we advocate the idea that orbs should be predicated of the planet (size, speed), not the aspect itself, the gas giants (Jupiter, Saturn, Uranus, and Neptune) and the Sun have been granted up to 10º of orb (or 12º, in the case of broad influence ). We understand aspectual relationships as angular relationships held between two or more celestial bodies placed in signs with at least one property in common (according to our molecular theory of the ecliptic, compatible with the optical theory of the aspects from the Hellenistic tradition). (shrink)

States of affairs raise, among others, the following questions: What kind of entity are they (if there are any)? Are they contingent, causally efficacious, spatio-temporal and perceivable entities, or are they abstract objects? What are their constituents and their identity conditions? What are the functions that states of affairs are able to fulfil in a viable theory, and which problems and prima facie counterintuitive consequences arise out of an ontological commitment to them? Are there merely possible (non-actual, non-obtaining) states (...) of affairs? Are there molecular (i.e., negative, conjunctive, disjunctive etc.) states of affairs? Are there modal and tensed states of affairs? (shrink)

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

The ‘managed-metabolism’ hypothesis suggests that a ‘cooperation barrier’ must be overcome if self-producing chemical organizations are to undergo the transition from non-life to life. This dynamical barrier prevents un-managed autocatalytic networks of molecular species from individuating into complex, cooperative organizations. The barrier arises because molecular species that could otherwise make significant cooperative contributions to the success of an organization will often not be supported within the organization, and because side reactions and other ‘free-riding’ processes will undermine cooperation. As (...) a result, the barrier seriously impedes the emergence of individuality, complex functionality and the transition to life. This barrier is analogous to the cooperation barrier that also impedes the emergence of complex cooperation at all levels of living organization. As has been shown at other levels of organization, the barrier can be overcome comprehensively by appropriate ‘management’. Management implements a system of evolvable constraints that can overcome the cooperation barrier by ensuring that beneficial co-operators are supported within the organization and by suppressing free-riders. In this way, management can control and manipulate the chemical processes of a collectively autocatalytic organization, producing novel processes that serve the interests of the organization as a whole and that could not arise and persist in an un-managed chemical organization. Management self-organizes because it is able to capture some of the benefits that are produced when its interventions promote cooperation, thereby enhancing productivity. Selection will therefore favour the emergence of managers that take over and manage chemical organizations so as to overcome the cooperation barrier. The managed-metabolism hypothesis demonstrates that if management is to overcome the cooperation barrier comprehensively, its interventions must be digitally coded. In this way, the hypothesis accounts for the two-tiered structure of all living cells in which a digitally-coded genetic apparatus manages an analogically-informed metabolism.GraphicalOpen image in new window. (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)

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.

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

Many neurodegenerative and neuropsychiatric diseases and other brain disorders are accompanied by impairments in high-level cognitive functions including memory, attention, motivation, and decision-making. Despite several decades of extensive research, neuroscience is little closer to discovering new treatments. Key impediments include the absence of validated and robust cognitive assessment tools for facilitating translation from animal models to humans. In this review, we describe a state-of-the-art platform poised to overcome these impediments and improve the success of translational research, the Mouse Translational (...) Research Accelerator Platform (MouseTRAP), which is centered on the touchscreen cognitive testing system for rodents. It integrates touchscreen-based tests of high-level cognitive assessment with state-of-the art neurotechnology to record and manipulate molecular and circuit level activity in vivo in animal models during human-relevant cognitive performance. The platform also is integrated with two Open Science platforms designed to facilitate knowledge and data-sharing practices within the rodent touchscreen community, touchscreencognition and mousebytes. Touchscreencognition includes the Wall, showcasing touchscreen news and publications, the Forum, for community discussion, and Training, which includes courses, videos, SOPs, and symposia. To get started, interested researchers simply create user accounts. We describe the origins of the touchscreen testing system, the novel lines of research it has facilitated, and its increasingly widespread use in translational research, which is attributable in part to knowledge-sharing efforts over the past decade. We then identify the unique features of MouseTRAP that stand to potentially revolutionize translational research, and describe new initiatives to partner with similar platforms such as McGill’s M3 platform. (shrink)

Significant associations have been found between specific human leukocyte antigen (HLA) alleles and organ transplant rejection, autoimmune disease development, and the response to infection. Traditional searches for disease associations have conventionally measured risk associated with the presence of individual HLA alleles. However, given the high level of HLA polymorphism, the pattern of amino acid variability, and the fact that most of the HLA variation occurs at functionally important sites, it may be that a combination of variable amino acid sites shared (...) by several alleles (shared epitopes) are better descriptors of the actual causative genetic variants. Here we describe a novel approach to genetic association analysis in which genes/proteins are broken down into smaller sequence features and then variant types defined for each feature, allowing for independent analysis of disease association with each sequence feature variant type. We have used this approach to analyze a cohort of systemic sclerosis patients and show that a sequence feature composed of specific amino acid residues in peptide binding pockets 4 and 7 of HLA-DRB1 explains much of the molecular determinant of risk for systemic sclerosis. (shrink)

n this article the author develops a critique of reductionism in biological sciences from three different points of view. The first is related to the problem of reduction in the context of scientific theories. More specifically, reduction deals with a special form of intertheoretic relationship between molecular biology and the rest of biology. The second meaning of reductionism has to do with the significance of its genetic outfit for the ontogeny of an organism, i.e. its development from zygote to (...) its final or adult structure and function. Third, closely related to this more biological topic are questions about the anthropological consequences of the application of reductionistic methodologies for the explanation and evaluation of human behaviour. (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)

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)

The neutral theory often is presented as a theory of "noise" or silent changes at an isolated "molecular level", relevant to marking the steady pace of divergence, but not to the origin of biological structure, function, or complexity. Nevertheless, precisely these issues can be addressed in neutral models, such as those elaborated here in regard to scrambled ciliate genes, gRNA-mediated RNA editing, the transition from self-splicing to spliceosomal splicing, and the retention of duplicate genes. All of these are instances (...) of a more general scheme of "constructive neutral evolution" that invokes biased variation, epistatic interactions, and excess capacities to account for a complex series of steps giving rise to novel structures or operations. The directional and constructive outcomes of these models are not due to neutral allele fixations per se, but to these other factors. Neutral models of this type may help to clarify the poorly understood role of non-selective factors in evolutionary innovation and directionality. (shrink)

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

All the central assumptions of the Modern Synthesis (Neo-Darwinism) have been disproven. [1, 2] An article with the title, "Rocking the foundations of molecular genetics,” appearing in the prestigious Proceedings of the National Academy of Sciences at the end of 2012 [3] would have not been possible a decade ago. Groundbreaking experimental evidence of epigenetic maternal inheritance over several generations was published in the same journal, throwing the whole foundation of 21st century molecular genetics into question. Neo-Darwinism attributed (...) genetic change to random events, in which physiology was assumed to play little role. "The germ line was thought to be isolated from any influence by the rest of the organism and its response to the environment. [3] The fundamental concepts that constitute the foundations of contemporary systems biology include holism, emergentism, and robustness, compared to the concepts of reductionism, mechanism, and homeostasis, that form the foundations of molecular biology. [18] Holism is to be contrasted with reductionism which considers a system as merely composed of a sum of parts. Emergentism, the appearance of hierarchical levels of organization, is contrasted with mechanism of independent linear events. Robustness refers to the preservation of the functionality of a system to a certain degree despite external or internal changes, while homeostasis refers to maintaining the stability of the state of a system. The Vedantic view also proposes viewing life from the Organic Whole perspective, in which consciousness forms the supporting basis. The conscious agent is an important part of that view, but the absolute conception of a unifying center is not to be omitted if a proper conception is to be achieved. (shrink)