Most molecular biological concepts derive from physical chemical assumptions about the genetic code that are basically more than 40 years old. Additionally, systems biology, another quantitative approach, investigates the sum of interrelations to obtain a more holistic picture of nucleotide sequence order. Recent empirical data on genetic code compositions and rearrangements by mobile genetic elements and non-coding RNAs, together with results of virus research and their role in evolution, does not really fit into these concepts and compel a re-examination. In (...) this review we try to find an alternate hypothesis. It seems plausible now that if we look at the abundance of regulatory RNAs and persistent viruses in host genomes, we will find more and more evidence that the key players that edit the genetic codes of host genomes are consortia of RNA agents and viruses that drive evolutionary novelty and regulation of cellular processes in all steps of development. This agent-based approach may lead to a qualitative RNA sociology that investigates and identifies relevant behavioural motifs of cooperative RNA consortia. In addition to molecular biological perspectives this may lead to a better understanding of genetic code evolution and dynamics. (shrink)

Recent investigations surprisingly indicate that single RNA "stem-loops" operate solely by chemical laws that act without selective forces, and in contrast, self-ligated consortia of RNA stem-loops operate by biological selection. To understand consortial RNA selection, the concept of single quasi-species and its mutant spectra as drivers of RNA variation and evolution is rethought here. Instead, we evaluate the current RNA world scenario in which consortia of cooperating RNA stem-loops are the basic players. We thus redefine quasispecies as RNA (...) quasispecies consortia and argue that it has essential behavioral motifs that are relevant to the inherent variation, evolution and diversity in biology. We propose that qs-c is an especially innovative force. We apply qs-c thinking to RNA stem-loops and evaluate how it yields altered bulges and loops in the stem-loop regions, not as errors, but as a natural capability to generate diversity. This basic competence-not error-opens a variety of combinatorial possibilities which may alter and create new biological interactions, identities and newly emerged self identity functions. Thus RNA stem-loops typically operate as cooperative modules, like members of social groups. From such qs-c of stem-loop groups we can trace a variety of RNA secondary structures such as ribozymes, viroids, viruses, mobile genetic elements as abundant infection derived agents that provide the stem-loop societies of small and long non-coding RNAs. (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)

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)

In his Target Article, Terrence Deacon develops simple models that assist in understanding the role of RNA in the origins of life. However, his models fail to adequately represent an important evolutionary dynamic. Central to this dynamic is the selection that impinges on RNA molecules in the context of their association with proto-metabolisms. This selection shapes the role of RNA in the emergence of life. When this evolutionary dynamic is appropriately taken into account, it predicts a role for RNA that (...) is consistent with the Managed-Metabolism Hypothesis about the origins of life, and inconsistent with Deacon’s account. (shrink)

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

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)

Microalgae in the wild often form consortia with other species promoting their own health and resource foraging opportunities. The recent application of microalgae cultivation and deployment in commercial photobioreactors (PBR) so far has focussed on single species of algae, resulting in multi-species consortia being largely unexplored. Reviewing the current status of PBR ecological habitat, this article argues in favor of further investigation into algal communication with conspecifics and interspecifics, including other strains of microalgae and bacteria. These mutualistic species (...) form the ‘phycosphere’: the micro-environment surrounding microalgal cells, potentiating the production of certain metabolites through biochemical interaction with cohabitating microorganisms. A better understanding of the phycosphere could lead to novel PBR configurations, capable of incorporating algal-microbial consortia, potentially proving more effective than single-species algal systems. (shrink)

Identification of non-coding RNAs (ncRNAs) has been significantly improved over the past decade. On the other hand, semantic annotation of ncRNA data is facing critical challenges due to the lack of a comprehensive ontology to serve as common data elements and data exchange standards in the field. We developed the Non-Coding RNA Ontology (NCRO) to handle this situation. By providing a formally defined ncRNA controlled vocabulary, the NCRO aims to fill a specific and highly needed niche in semantic annotation of (...) large amounts of ncRNA biological and clinical data. (shrink)

Identification of non-coding RNAs (ncRNAs) has been significantly enhanced due to the rapid advancement in sequencing technologies. On the other hand, semantic annotation of ncRNA data lag behind their identification, and there is a great need to effectively integrate discovery from relevant communities. To this end, the Non-Coding RNA Ontology (NCRO) is being developed to provide a precisely defined ncRNA controlled vocabulary, which can fill a specific and highly needed niche in unification of ncRNA biology.

Historically, hypotheses failed in most cases to correctly forecast the workings of complex biological systems. Francis Crick’s adaptor hypothesis, however, stands out as an exceptional case of a confirmed abstract prediction. This hypothesis presciently anticipated the existence of RNA adaptors that function as bridges between amino acids and the chemically different nucleic acid template for proteins. Crick conjectured that the adaptors are enzymatically charged with cognate amino acids, they bind to complementary protein-coding nucleic acid, and their liberated amino acids are (...) incorporated into growing protein chains. Independently from and concomitantly with Crick’s hypothesis, Mahlon Hoagland and Paul Zamecnik conducted experiments with no guiding theory that culminated in discoveries of the actual adaptors, transfer RNA (tRNA) molecules, and their amino acids charging enzymes. This paper traces the parallel histories of Crick’s adaptor hypothesis and of the experimental discovery of tRNA and compares their relative impacts on the scientific community. Remarkably, despite the brilliance of Crick’s confirmed prognostication, it had marginal impact on practicing scientists. Conversely, Hoagland and Zamecnik’s experimental discoveries and their evidence-based model of protein synthesis had immediate and enduring impact. I discuss possible explanations for the different impacts of the theoretical prediction and experimental identifications of the same entities. (shrink)

Viruses and related infectious genetic parasites are the most abundant biological agents on this planet. They invade all cellular organisms, are key agents in the generation of adaptive and innate immune systems, and drive nearly all regulatory processes within living cells.

Current knowledge of the RNA world indicates 2 different genetic codes being present throughout the living world. In contrast to non-coding RNAs that are built of repetitive nucleotide syntax, the sequences that serve as templates for proteins share—as main characteristics—a non-repetitive syntax. Whereas non-coding RNAs build groups that serve as regulatory tools in nearly all genetic processes, the coding sections represent the evolutionarily successful function of the genetic information storage medium. This indicates that the differences in their syntax structure are (...) coherent with the differences of the functions they represent. Interestingly, these 2 genetic codes resemble the function of all natural languages, i.e., the repetitive non-coding sequences serve as appropriate tool for organization, coordination and regulation of group behavior, and the nonrepetitive coding sequences are for conservation of instrumental constructions, plans, blueprints for complex protein-body architecture. This differentiation may help to better understand RNA group behavioral motifs. (shrink)

Our understanding of the key players in evolution and of the development of all organisms in all domains of life has been aided by current knowledge about RNA stem-loop groups, their proposed interaction motifs in an early RNA world and their regulative roles in all steps and substeps of nearly all cellular processes, such as replication, transcription, translation, repair, immunity and epigenetic marking. Cooperative evolution was enabled by promiscuous interactions between single-stranded regions in the loops of naturally forming stem-loop structures (...) in RNAs. It was also shown that cooperative RNA stem-loops outcompete selfish ones and provide foundational self-constructive groups (ribosome, editosome, spliceosome, etc.). Self-empowerment from abiotic matter to biological behavior does not just occur at the beginning of biological evolution; it is also essential for all levels of socially interacting RNAs, cells and viruses. (shrink)

The metamorphosis from larvae to adult butterflies has represented the “mystery” of life since the ancient Greeks. How could we explain the various steps of development from caterpillars to the most beautiful butterflies? A mystery preva lent in the twentieth century concerned the storage of the complete genetic informa tion of an organism in the DNA of its every cell. How and why do so many different cell types develop throughout the lives of organisms at the right time and place? (...) With the rise of epigenetics, the “fog” of mystery is starting to clear. We now know that the genetic storage medium in every living cell acquires an incredible plasticity through certain markings on the genetic text, linking the inheritable information with the contextuality of the real lifeworld of each organism. This means that the concrete living organism influences during development the various stages of gene expression, transcription, translation, immunity, and DNA repair actively and leads to various phenotypic outcomes without altering the DNA storage medium. More surprisingly, such variations of developmental phenotypes were found capable of successfully adapting to changing environmental circumstances. Better adapted organisms may lead to reprogramming in the epigenetic states which may reach an inheritable status for many generations or even become a fixed part of the genetic identity of the species. This is how evolution learns. (shrink)

Darwinian evolutionary theory has two key terms, variations and biological selection, which finally lead to survival of the fittest variant. With the rise of molecular genetics, variations were explained as results of error replications out of the genetic master templates. For more than half a century, it has been accepted that new genetic information is mostly derived from random error-based events. But the error replication narrative has problems explaining the sudden emergence of new species, new phenotypic traits, and genome innovations (...) as a sudden single event. Meanwhile, it is recognized that errors cannot explain the evolution of genetic information, genetic novelty, and complexity. Now, empirical evidence establishes the crucial role of non-random genetic content editors, such as viruses, diversity generating retroelements, and other RNA networks, to produce new genetic information, complex regulatory control, inheritance vectors, genetic identity, immunity, new sequence space, evolution of complex organisms, and evolutionary transitions. (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)

The generation of viral mutants in vitro was demonstrated by treatment of the isolated RNA of Tobacco Mosaic Virus by nitrous acid. This agent causes deaminations converting cytosine into uracil, and adenine into hypoxanthine. Our assay for mutagenesis was the production of local lesions on a tobacco variety on which the untreated strain produces systemic infections only. A variety of different mutants are generated in this way. Quantitative analysis of the kinetics of mutagenesis leads to the conclusion that alteration of (...) a single out of the 6000 nucleotides of the viral RNA is sufficient for causing a mutation. (shrink)

Biological modalities, i.e., biologically possible, impossible, or necessary states of affairs have not received much attention from philosophers. Yet, it is widely agreed that there are biological constraints on physically possible states of affairs, such that not everything that is physically possible is also biologically possible, even if everything that is biologically possible is also physically possible. Furthermore, biologists use concepts that appear to be modal in nature, such as the concept of evolvability in evolutionary developmental biology, or “evo-devo.” The (...) present chapter investigates what kind of modality underlies the concept of evolvability. This concept tries to capture the capacity of an organism or a lineage to sustain genetic changes that enable it to evolve or to evolve adaptively. The basic idea of the proposed approach is to construe evolvability as a kind of accessibility in a modal space. The difficult part is to specify this modal space and the relevant accessibility relation. While there may not be a general way of defining such a relation, there exist model systems for which it is possible, e.g., evolving small RNAs. The modal space in such cases turns out to be quite distinct from those constructed by philosophers, e.g., David Lewis’s similarity metric for possible worlds. Even though the biological case examined here is quite special, attending to the way in which biological possibilities are modeled in this case harbors some general lessons about biological modalities, in particular their dependence on the explanatory goals of the models modeling modality. (shrink)

Abstract The quasispecies theory is a helpful concept in the explanation of RNA virus evolution and behaviour, with a relevant impact on methods used to fight viral diseases. It has undergone some adaptations to integrate new empirical data, especially the non-deterministic nature of mutagenesis, and the variety of behavioural motifs in cooperation, competition, communication, innovation, integration, and exaptation. Also, the consortial structure of quasispecies with complementary roles of memory genomes of minority populations better fits the empirical data than did the (...) original concept of a master sequence and its mutant spectra. The high productivity of quasispecies variants generates unique sequences that never existed before and will never exist again. In the present essay, we underline that such sequences represent really new ontological entities, not just error copies of previous ones. Their primary unique property, the incredible variant production, is suggested here as quasispecies productivity, which replaces the error-replication narrative to better fit into a new relationship between mankind and living nature in the twenty-first century. (shrink)

Research has indicated that microRNAs (miRNAs), a special class of non-coding RNAs (ncRNAs), can perform important roles in different biological and pathological processes. miRNAs’ functions are realized by regulating their respective target genes (targets). It is thus critical to identify and analyze miRNA-target interactions for a better understanding and delineation of miRNAs’ functions. However, conventional knowledge discovery and acquisition methods have many limitations. Fortunately, semantic technologies that are based on domain ontologies can render great assistance in this regard. In our (...) previous investigations, we developed a miRNA domain-specific application ontology, Ontology for MIcroRNA Target (OMIT), to provide the community with common data elements and data exchange standards in the miRNA research. This paper describes (1) our continuing efforts in the OMIT ontology development and (2) the application of the OMIT to enable a semantic approach for knowledge capture of miRNA-target interactions. (shrink)

Applying mild methods of preparation, part of the ribosomes of rabbit reticulocytes are found in aggregates (later called polyribosomes) of up to six ribosomal units. Upon treatment with RNA-ase, they desintegrate into single ribosomes. The fast-sedimenting aggregates are found to be more active in protein synthesis in terms of incorporation of radioactive amino acids, whereas the single ribosomes are more receptive to stimulation by the artificial messenger RNA poly-U. The findings indicate that the linkage of ribosomes into aggregates is due (...) to the messenger RNA. They support a tape-reading mechanism of protein synthesis whereby growth of the peptide chain is accompanied by shifting the active site of the ribosome from one coding group of nucleotides of the messenger RNA to the next. (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)

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)

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

The concepts of the origin of the genetic code and the definitions of life changed dramatically after the RNA world hypothesis. Main narratives in molecular biology and genetics such as the “central dogma,” “one gene one protein” and “non-coding DNA is junk” were falsified meanwhile. RNA moved from the transition intermediate molecule into centre stage. Additionally the abundance of empirical data concerning nonrandom genetic change operators such as the variety of mobile genetic elements, persistent viruses and defectives do not fit (...) with the dominant narrative of error replication events (mutations) as being the main driving forces creating genetic novelty and diversity. The reductionistic and mechanistic views on physico-chemical properties of the genetic code are no longer convincing as appropriate descriptions of the abundance of non-random genetic content operators which are active in natural genetic engineering and natural genome editing. (shrink)

In a now classic paper published in 1991, Alberch introduced the concept of genotype–phenotype (G!P) mapping to provide a framework for a more sophisticated discussion of the integration between genetics and developmental biology that was then available. The advent of evo-devo first and of the genomic era later would seem to have superseded talk of transitions in phenotypic space and the like, central to Alberch’s approach. On the contrary, this paper shows that recent empirical and theoretical advances have only sharpened (...) the need for a different conceptual treat- ment of how phenotypes are produced. Old-fashioned metaphors like genetic blueprint and genetic programme are not only woefully inadequate but positively misleading about the nature of G!P, and are being replaced by an algorithmic approach emerging from the study of a variety of actual G!P maps. These include RNA folding, protein function and the study of evolvable soft- ware. Some generalities are emerging from these disparate fields of analysis, and I suggest that the concept of ‘developmental encoding’ (as opposed to the classical one of genetic encoding) provides a promising computational–theoretical underpinning to coherently integrate ideas on evolvability, modularity and robustness and foster a fruitful framing of the G!P mapping problem. (shrink)

The units or levels of selection debate concerns the question of what kind of biological systems are stable enough that part of their evolution is a result of the process of natural selection acting at their level. Traditionally, the debate has concerned at least two different, though related, questions: the question of the level at which interaction with the environment occurs, and the question of the level at which reproduction occurs. In recent years, biologists and philosophers have discussed a new (...) aspect of this debate, namely the possibility that certain multi-species consortia formed by a host and its microbiome may act as a unit of selection. This thesis, however, has not been without criticism, as it is doubtful that such consortia could meet the conditions required to achieve the degree of stability that would allow them to experience natural selection. The purpose of this paper is to systematically examine such criticisms and to defend the thesis that the holobiont/hologenome can act as a genuine level of selection both in the form of an interactor and in the form of a reproducer. To do so, it will be argued that the microbiome should be characterized in functional rather than taxonomic terms. (shrink)

We address the need for a model by considering two competing theories regarding the origin of life: (i) the Metabolism First theory, and (ii) the RNA World theory. We discuss two interrelated points, namely: (i) Models are valuable tools for understanding both the processes and intricacies of origin-of-life issues, and (ii) Insights from models also help us to evaluate the core objection to origin-of-life theories, called “the inefficiency objection”, which is commonly raised by proponents of both the Metabolism First theory (...) and the RNA World theory against each other. We use Simpson’s Paradox (SP) as a tool for challenging this objection. We will use models in various senses, ranging from taking them as representations of reality to treating them as theories/accounts that provide heuristics for probing reality. In this paper, we will frequently use models and theories interchangeably. Additionally, we investigate Conway’s Game of Life and contrast it with our SP-based approach to emergence-of-life issues. Finally, we discuss some of the consequences of our view. A scientific model is testable in three senses: (i) a logical sense, (ii) a nomological sense, and (iii) a current technological sense. The SP-based model is testable in the first two senses but it is not feasible to test it using current technology. (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)

Modern life sciences research is increasingly relying on artificial intelligence (AI) approaches to model biological systems, primarily centered around the use of machine learning (ML) models. Although ML is undeniably useful for identifying patterns in large, complex data sets, its widespread application in biological sciences represents a significant deviation from traditional methods of scientific inquiry. As such, the interplay between these models and scientific understanding in biology is a topic with important implications for the future of scientific research, yet it (...) is a subject that has received little attention. Here, we draw from an epistemological toolkit to contextualize recent applications of ML in biological sciences under modern philosophical theories of understanding, identifying general principles that can guide the design and application of ML systems to model biological phenomena and advance scientific knowledge. We propose that conceptions of scientific understanding as information compression, qualitative intelligibility, and dependency relation modelling provide a useful framework for interpreting ML-mediated understanding of biological systems. Through a detailed analysis of two key application areas of ML in modern biological research – protein structure prediction and single cell RNA-sequencing – we explore how these features have thus far enabled ML systems to advance scientific understanding of their target phenomena, how they may guide the development of future ML models, and the key obstacles that remain in preventing ML from achieving its potential as a tool for biological discovery. Consideration of the epistemological features of ML applications in biology will improve the prospects of these methods to solve important problems and advance scientific understanding of living systems. (shrink)

The Human Genome Project is regarded by many as one of the major scientific achievements in recent science history, a large-scale endeavour that is changing the way in which biomedical research is done and expected, moreover, to yield considerable benefit for society. Thus, since the completion of the human genome sequencing effort, a debate has emerged over the question whether this effort merits to be awarded a Nobel Prize and if so, who should be the one to receive it, as (...) no more than three individuals can be selected. In this article, the HGP is taken as a case study to consider the ethical question to what extent it is still possible, in an era of big science, of large-scale consortia and global team work, to acknowledge and reward individual contributions to important breakthroughs in biomedical fields. Is it still viable to single out individuals for their decisive contributions in order to reward them in a fair and convincing way? Whereas the concept of the Nobel prize as such seems to reflect an archetypical view of scientists as solitary researchers who, at a certain point in their careers, make their one decisive discovery, this vision has proven to be problematic from the very outset. Already during the first decade of the Nobel era, Ivan Pavlov was denied the Prize several times before finally receiving it, on the basis of the argument that he had been active as a research manager rather than as a researcher himself. The question then is whether, in the case of the HGP, a research effort that involved the contributions of hundreds or even thousands of researchers worldwide, it is still possible to “individualise” the Prize? The “HGP Nobel Prize problem” is regarded as an exemplary issue in current research ethics, highlighting a number of quandaries and trends involved in contemporary life science research practices more broadly. (shrink)

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

Observational and experimental discoveries of new factual entities such as objects, systems, or processes, are major contributors to some advances in the life sciences. Yet, whereas discovery of theories was extensively deliberated by philosophers of science, very little philosophical attention was paid to the discovery of factual entities. This paper examines historical and philosophical aspects of the experimental discovery by Carl Woese of archaea, prokaryotes that comprise one of the three principal domains of the phylogenetic tree. Borrowing Kuhn’s terminology, this (...) discovery of a major biological entity was made during a ‘normal science’ project of building molecular taxonomy for prokaryotes. Unexpectedly, however, an observed anomaly instigated the discovery of archaea. Substantiation of the existence of the new archaeal entity and consequent reconstruction of the phylogenetic tree prompted replacement of a long-held model of a prokarya and eukarya bipartite tree of life by a new model of a tripartite tree comprising of bacteria, archaea, and eukarya. This paper explores the history and philosophical implications of the progression of Woese’s project from normal science to anomaly-instigated model-changing discovery. It is also shown that the consequential discoveries of RNA splicing and of ribozymes were similarly prompted by unexpected irregularities during normal science activities. It is thus submitted that some discoveries of factual biological entities are triggered by unforeseen observational or experimental anomalies. (shrink)

Function talk is a constant across different life sciences. From macro-evolution to genetics, functions are mentioned everywhere. For example, a limb’s function is to allow movement and RNA polymerases’ function is to transcribe DNA. Biochemistry is not immune from such a characterization; the biochemical world seems to be a chemical world embedded within biological processes. Specifically, biochemists commonly ascribe functions to biomolecules and classify them accordingly. This has been noticed in the recent philosophical literature on biochemical kinds. But while a (...) lot has been written on biological and psychological functions, little has been said explicitly about biochemical fuctions. Here, I explore functional attribution to biochemical molecules. I argue that if we accept this attribution, then biochemical functions are constituted by chemical dispositional properties that causally contribute to selected biological processes. In section 2, I discuss the controversy concerning the characterization of biochemical functions. In section 3, I consider whether a biological or a chemical under- standing of function can be applied to biochemical functions, illustrating the account with the example of vitamin B12. The result is that none of the theories on their own provides an adequate characterization. In section 4, I present an account of biochemical functions. In section 5, I assess this account taking into consideration common requirements for a theory of functions and an objection. (shrink)

Temporal Changes in Ovarian Gonadotropin-Releasing Hormone mRNA Levels by Gonadotropins in the Rat Sung Ho Lee, Eun-Seob Song, Sun Kyeong Yu, Changmee Kim, Dae Kee Lee, Wan Sung Choi l and Kyungjin Kim* Department of Molecular Biofogy and SRC for Cell Differentiation, Seoul National University, Seoul 150-742, Korea; IDepartment of Anatomy, College of Medicine, Gyeongsanf; National University, Chinju 660-280, Korea (Recei·. cd on December 29, 1993) The present study examines whether gonadotropins are involved in the regulation of ovarian GnRH gene (...) expression and how ovarian GnRH gene expression temporalJy correlates with alterations in hypothalamic GnRH, pituitary LH~ gene expression in respons to gonadotropins. Hypothalamic and ovarian GnRH mRNA and pituitary LH~ mRNA levels were determined by respective RNA-blot hybridizations, and ovarian GnRH and estradiol contents and serum LH levels were measured by respective radioimmunoassays. Three animal models such as 1) PMSG-treated, 2) PMSG and heG-treated immature rats and 3) proestrous stage of adult rats were used. Immature rats (25-days old) were administered with PMSG (10 iu) at 10:00 hand 48 h later with heG (10 iu) to induce ovulation. In the PMSG-injected model, hypothalamic GnRH mRNA levels were markedly augmented about 9-fold at 50 h, and pituitary LH mRNA 3-fold at 52 h after PMSG administration. Serum LH levels were increased to the preovulatory surge levels at 56 h, and ovarian GnRH mRNA levels were augmented 4-fold at 60 h after PMSG injection. Administration of heG also induced a marked enhancement in ovarian GnRH mRNA levels in comparison to the values shown in both intact and PMSGtreated rats at 52 hand 54 h, respectively. In the proestrous stage of normal adult rats, pituitary LH~ mRNA levels were peaked at 16:00 h. The preovulatory LH surge was evident at 4 h before increment in ovarian GnRH mRNA levels as shown in PMSG-treated rats. The present study clearly showed the sequential increase in hypothalamic GnRH mRNA, pituitary LH~ mRNA and ovarian GnRH mRNA levels, indicating that ovarian GnRH may play a possible role in the control of follicular maturation and the ovulation process. (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)

The Plant Ontology (PO; http://www.plantontology.org/) is a publicly-available, collaborative effort to develop and maintain a controlled, structured vocabulary (“ontology”) of terms to describe plant anatomy, morphology and the stages of plant development. The goals of the PO are to link (annotate) gene expression and phenotype data to plant structures and stages of plant development, using the data model adopted by the Gene Ontology. From its original design covering only rice, maize and Arabidopsis, the scope of the PO has been expanded (...) to include all green plants. The PO was the first multi-species anatomy ontology developed for the annotation of genes and phenotypes. Also, to our knowledge, it was one of the first biological ontologies that provides translations (via synonyms) in non-English languages such as Japanese and Spanish. There are about 2.2 million annotations linking PO terms to over 110,000 unique data objects representing genes or gene models, proteins, RNAs, germplasm and Quantitative Traits Loci (QTLs) from 22 plant species. In this paper, we focus on the plant anatomical entity branch of the PO, describing the organizing principles, resources available to users, and examples of how the PO is integrated into other plant genomics databases and web portals. We also provide two examples of comparative analyses, demonstrating how the ontology structure and PO-annotated data can be used to discover the patterns of expression of the LEAFY (LFY) and terpene synthase (TPS) gene homologs. (shrink)

Memetic Science is the name of a new field that deals with the quantitativeanalysis of cultural transfer.The units of cultural transfer are entities called "memes". In a nutshell, memes are to cultural and mental constructs as genesare to biological organisms. Examplesof memesare ideas,tunes, fashions, and virtuallyany culturaland behavioral unit that gets copiedwitha certaindegree of fidelity. It is arguedthat the under standing of memes is of similar importance and consequence as the understanding of processes involving DNA and RNA in molecular biology.Thispaperpresentsa (...) rigorousfoundation fordiscussion ofmemes and approaches to quantifying relevantaspects of memegenesis, inter action, mutation, growth,deathand spreadingprocesses. It is also argued inthispaper that recombinant memetics is possible incomplete analogy to recombinant DNA/ genetic engineering. Special attention is paid to memes in written modern English. (shrink)

This essay moves along broad lines from molecular biology to evolutionary biology and ecology to theology. Its objectives are to: 1) present some recent scientific findings in the emerging field of epigenetics that indicate that it is “the genome in context,” not genes per se, that are important in biological development and evolution; 2) show that this weakens the gene-centric neo-Darwinist explanation of evolution which, in fact, shares a certain preformationist orientation with intelligent design theory; 3) argue that the evidence (...) against a gene-centric view in no way negates Darwin’s central idea of “descent with modification”; 4) argue that an embrace of the evolutionary story, with all of its contingency and apparent lack of directionality, is not only consistent with Christianity, but actually resonates with the notion of the self-emptying love of God in Jesus Christ; and finally 5) suggest that we are called through an ecological imperative to embrace our evolutionary story, to listen to our “genetic coding,” and to reclaim our grounding as a species in the natural world. Corrigendum (published in later issue of journal): There was an error in the paragraph describing the mode of action of the small temporally-expressed RNAs (stRNAs) lin-4 and let-7 from Caenorhabditis elegans. Instead of reading "These two stRNAs act by binding to the tails of their target messenger RNAs (mRNAs); this results in destruction of the target and an overall drop in the level of production of protein from agouti mRNA" [note that agouti mRNA is not a target of these stRNAs], the sentence should have read, "These two stRNAs act by binding to the tails of target messenger RNAs (mRNAs); this leads to inhibition of translation of the mRNAs into protein and a consequent drop in the levels of the corresponding target protein.". (shrink)

Denis Nobel looks at four important misinterpretations of molecular biology concerning evolutionary processes and demonstrates that the new synthesis today looks rather outdated. The modern synthesis is nearly 80 years old. The proponents who worked out the modern synthesis had no access to the current knowledge on cell biology, genetics, epigenetics, RNA biology and virology. Therefore this contribution adds several aspects which Nobel’s article does not explicitly mention, providing some examples for a better understanding of evolutionary novelty.

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)

Gregor Mendel (1822-1884) was the first to explain that certain 'traits' were inherited in plants from one generation to the next. These would later become known as genes. Frederich Miescher in 1869 analyzed a substance from the nucleus of cells, which he therefore called nuclein. Further study of nuclein revealed that it contained elements like hydrogen, oxygen, nitrogen and phosphorous, with a specific ratio of nitrogen to phosphorous. Then in 1878 Albrecht Kossel determined that nuclein contained nucleic acid, from which (...) he isolated five nucleobases (nitrogen compounds now referred to by the letters C, G, A, T, U representing cytosine, guanine, adenine, thymine, and uracil). It was also discovered that ribose, a sugar was present in the nuclein compound. What Miescher had isolated from the cell nucleus was actually what would latter be identified as DNA (Deoxyribonucleic acid). C. H. Waddington (1905 - 1975) first proposed the term “epigenetics” in 1942 to describe the region between the gene and the whole organism (phenotype) [3]. Today, what is called the epigenome refers to all the chromosomal modifications, DNA modifications, chromatin protein modifications and their complexes. It is the epigenome that determines both the expression of the genes and their inheritance. R. A. Jorgenson reports [4], "Many of these modifications appear to be “programmable” and to be “read out” to influence chromosomal functions." Nobel laureate Barbara McClintock stated this revolutionary proposal more clearly in her Nobel lecture [5], “to determine the extent of knowledge the cell has of itself, and how it utilizes this knowledge in a ‘thoughtful’ manner when challenged.” In 1960 R. A. Brinks suggested that chromosomes possess a paragenetic function in addition to their genetic function [7]. The physical nature of the paragenetic function is characterized by the variety of forms or states of chromatin that can reside at any genetic locus. While the genetic function is stable, the paragenetic function is labile and programmable in ontogeny. It is this latter function that allows organisms to transfer informational macromolecules (RNA and proteins) in a systematic and regulated manner over what is known as the “RNA information superhighway.” Given this capacity, organisms may be able to store information at numerous genetic loci in the form of paragenetic chromatin states, which can be reprogrammed during ontogeny or environmental stress [8]. This reprogrammable system could operate over the whole organism as a storage device, allowing it to make informed ‘decisions' during growth and development, or in response to the environment. Such processing capacity could be considered a form of ‘intelligence,' which also could be passed on to future generations. The study of the flow of information within and between cells and organisms represents the cutting edge of modern biological research. While physical correlates of cognitive behavior in living organisms are being discovered, it does not spell reduction to such correlates. The electronic activity within the physical components of a radio, for example, may be minutely determined, but ultimately it is not merely the electrical activity that produces the intelligent speech that is heard. Only the intelligent person whose voice is being broadcast through the radio can explain that. Without the broadcaster, the radio would sit silently even though fully functional. An organism without its living agency also appears to be devoid of metabolic activity although all the chemical components are fully present. How to connect life to matter will be the ultimate challenge that has to be met. This will prove to be a philosophical problem we hope to address in the near future. (shrink)

The present study examines the physiological alterations in prolactin (PRL) messenger ribonucleic acid (mRNA) and serum PRL levels during the rat estrous cycle and the effed of naloxone, an endogenous opioid peptide receptor antagonist, on PRL gene expression during the rat estrous cycle. Adult female rats exhibiting at least two consecutive 4-day estrous cycles were used in this study. A single injection of naloxone (2mg/kg b.w.) or saline was given sc 30 mm prior to decapitation. Animals were sacrificed at 10:00 (...) h of each stage of the estrous cycle, and at 2-h intervals from 10:00 h to 20:00 h during the proestrus. PRL mRNA and serum PRL levels were determined by an RNA-blot hybridization with the rat PRL cDNA probe and by a PRL radioimmunoassay, respectively. PRL mRNA and serum PRL levels were not dramatically altered in the morning of each stage of diestrus I, II, and proestrus, and naloxone failed to modify the two parameters. During estrus naloxone clearly suppressed serum PRL levels, but it was unable to modify PRL mRNA levels. A more detailed examination of the proestrus stage revealed that PRL mRNA and serum PRL levels fluctuated as a function of time: PRL mRNA levels reached a maximum level at 12:00 h and gradually decreased until 18:00 h. PRL mRNA levels then rose at 20:00 h. No difference in PRL mRNA levels between the control and naloxone-treated groups was observed. Changes in serum PRL level during proestrus were conversely related to changes in PRL mRNA: serum PRL levels were low from 10:00 h to 14:00 h, then increased and reached a maximum level at 16:00-18:00 h. Following then, serum PRL levels were decreased. Naloxone was effective in suppressing the characteristic afternoon surge of PRL from 16:00 h to 20:00 h. These data clearly showed that alterations in PRL mRNA levels were conversely correlated with changes in serum PRL levels on proestrus, indicating differential regulation of PRL gene expression and secretion. (shrink)

FERTILIDADE EM VACAS LEITEIRAS: FISIOLOGIA E MANEJO -/- INTRODUÇÃO -/- A fertilidade das vacas com aptidão leiteira tem apresentado queda de quase 1% ao ano nos últimos 30 anos como apresentam os estudos acerca da reprodução de bovinos leiteiros; essa diminuição tem coincidido com um aumento sustentado na produção de leite. Estudos realizados a partir da década de 1960 pelo NRC, demonstraram que nos rebanhos leiteiros da América do Norte, nessa década, era conseguido emprenhar até 65% das vacas inseminadas, enquanto, (...) atualmente, a porcentagem de concepção é em torno de 30%. Na literatura e por meio de pesquisas foi-se comprovado que de 80 a 90% dos ovócitos são fertilizados, entretanto, uma alta proporção de embriões morre antes do 18º dia após a inseminação. Com isso, as vacas apresentam um novo ciclo, isto é, regressam ao estro em um período equivalente a um ciclo estral normal, devido ao fato de que a morte do embrião ocorre antes do reconhecimento materno da gestação (figura 1). -/- 1. ESTIMATIVA DA FERTILIDADE EM BOVINOS LEITEIROS -/- Em bovinos leiteiros, existem diferentes métodos de estimar a fertilidade e cada um deles fornece uma visão parcial do problema; neste trabalho pretendo descrever os principais estimadores da fertilidade. -/- 1.1 Porcentagem de concepção -/- Refere-se à proporção de vacas que apresentaram prenhez, isto é, vacas gestantes do total inseminado e é calculado no momento de diagnóstico da gestação. É difícil estipular ou impor uma meta para esse método, uma vez que depende de vários fatores que podem variar -/- entre os rebanhos e, também, é afetado pela época do ano. Entretanto, nos últimos anos, uma boa meta global de porcentagem de concepção deve estar entre 35 e 40%, porém esse valor é um parcial, uma vez que diante o manejo e os custos opta-se sempre por uma porcentagem maior de vacas prenhes no momento de diagnóstico de gestação. A taxa ou porcentagem de concepção é obtida pela divisão do total de vacas prenhes com o total de vacas inseminadas e multiplicado por 100. % concepção = Total de vacas prenhes/Total de vacas inseminadas x 100 -/- Figura 1: A principal causa de falha reprodutiva é a morte embrionária precoce. Cerca de 80 a 90% dos ovócitos são fertilizados. Apenas 50% dos embriões sobrevivem até o momento de diagnóstico da gestação. Além disso, entre 20 e 30% das vacas diagnosticadas prenhes perdem a gestação nos meses seguintes. Elaborado pelo autor. -/- 1.2 Taxa de prenhez -/- A taxa de prenhez representa a proporção de vacas prenhes pós-inseminação, do total elegível para a inseminação durante um período equivalente a um ciclo estral (± 21 dias). Essa taxa é um parâmetro resultante de dois aspectos: a eficiência na detecção do cio ou estro à campo visual do comportamento das vacas e/ou pelos métodos modernos de identificação como os marcadores; e a porcentagem de concepção. A taxa de prenhez é calculada multiplicando a eficiência na detecção de estros pela porcentagem de concepção e dividindo o valor dessa multiplicação por 100. Assim, um rebanho com uma eficiência na detecção de cio ou estro de 50% e com uma porcentagem de concepção de 30%, obtém-se uma taxa de prenhez de 15%. Esse número indica que das vacas elegíveis que manifestam cio e são inseminadas em um período de 21 dias, apenas 15% delas emprenham. Uma taxa de prenhez aceitável é de 21%, entretanto, o índice almejado é de 35%. O primeiro cio deve se manifestar aos 40 dias pós-parto. As taxas de detecção de cios devem estar entre 70%, mas podem variar entre 30 e 80% dependendo da forma que é realizada. Existem diferentes métodos de observação visual com diferentes porcentagens de detecção (tabela 1). -/- Existem alguns fatores que limitam a detecção de estros por todos e quaisquer métodos de observação, sendo eles o horário, tempo e número das observações, número de vacas em estro, tamanho dos lotes e piquetes, temperatura ambiente e olho clínico do observador. Dada uma boa detecção de estros teremos, consequentemente, boas taxas de prenhez (tabela 2). -/- As duas formas do cálculo: Taxa de prenhez = % detecção de estro x % concepção100 Taxa de prenhez = Total de vacas prenhes/Total de vacas aptas à reprodução x 100 -/- EXEMPLO PRÁTICO: em uma determinada fazenda um lote de 100 vacas está apto para inseminação, desse total 55 vacas foram inseminadas, de modo que a taxa de inseminação foi de 55% que equivale a taxa de serviço. Calcularemos a taxa de concepção e prenhez. -/- 1º taxa de concepção: de 55 vacas, no momento de diagnóstico da gestação, observou-se que 17 emprenharam, de modo que a taxa de concepção será: 17 vacas prenhes55 vacas inseminadas x 100 = 30,9% 2º taxa de prenhez: usando a % de detecção de estro de 30% e a porcentagem de concepção obtida acima, temos uma taxa de prenhez de 9,3%. Usando a segunda forma, encontraremos 17%. 1.3 Porcentagem de vacas gestantes -/- A porcentagem de vacas gestantes é um parâmetro que oferece uma visão genérica da condição de fertilidade do rebanho. Este indicador é calculado a partir das vacas positivas no momento de diagnóstico de gestação (60 dias depois do último serviço) e inclui as vacas secas. Assim, multiplica-se 7 (os meses restantes de gestação da vaca) pela porcentagem de vacas que devem estar gestando cada mês (7 x 8) do qual resulta 56%. A meta esperada desse parâmetro reprodutivo é entre 50 e 60% de vacas gestantes em qualquer momento do ano. Outra forma de conhecer a fertilidade é mediante a estimativa da porcentagem de vacas gestantes por mês. Para manter a população estável, devem estar gestantes mensalmente 8% das vacas (número de vacas/intervalo entre partos). -/- 1.4 Dias abertos -/- Este parâmetro indica os dias que transcorrem do parto ao dia em que a vaca fica gestante. Ao calcular os dias abertos deve-se ser cuidadoso, já que há duas maneiras de fazê-lo. Na primeira, calcula-se considerando só as vacas que ficam gestantes, pelo qual há uma subestimação do parâmetro; este cálculo produz resultados satisfatórios (120 ou 130 dias abertos), já que não considera as vacas que têm mais de 200 dias de leite e não estão prenhes. Na segunda forma de estimativa, são consideradas vacas gestantes e as não gestantes (abertas). Este segundo método é o mais exato, já que o parâmetro obtido se aproxima mais da realidade. A meta deste parâmetro, considerando as vacas em gestação e as vacas abertas, é de 150 dias. -/- 1.5 Intervalo entre partos (IEP) -/- Este parâmetro refere-se ao tempo decorrido entre dois partos consecutivos na mesma vaca. É um parâmetro tão geral que não permite fazer uma análise dos problemas reprodutivos, nem facilita a tomada de decisões. Este parâmetro sobrestima a fertilidade porque para sua obtenção só são consideradas as vacas que têm dois partos consecutivos e não as vacas que permanecem abertas por longos períodos e, inclusive, que chegam a ser descarta- das e as inférteis. Há cerca de 30 anos atrás, o intervalo entre os partos recomendado era de 12 meses. Atualmente, ter um curto intervalo entre partos não é sempre conveniente, uma vez que se obtém menor volume acumulado de leite, e é frequente que muitas vacas cheguem ao momento da secagem com altas produções. Neste sentido, em gados leiteiros explorados intensivamente, a meta é alcançar um intervalo entre os partos de 13,5 meses; propõe-se que as lactações prolongadas com intervalos entre os partos de 18 meses sejam economicamente rentáveis, embora ainda não existam dados suficientes que corroborem esta proposta. -/- 1.6 Dias em leite -/- Os dias no leite é a média de dias em lactação, de todas as vacas em produção do rebanho. Este parâmetro é calculado somando os dias em lactação que cada vaca tem e se divide pelo total de vacas. Em um rebanho com uma distribuição uniforme dos partos durante o ano, haverá vacas com diferentes dias no leite (frescas, de média lactação e lactação avançada). A meta de dias em leite é de 160 a 170 a qualquer momento do ano. Ao contrário dos dias abertos ou o intervalo entre os partos, que são geralmente calculados sem considerar as vacas vazias, os dias no leite incluem todas as vacas, independentemente do seu estado reprodutivo. Em rebanhos leiteiros comerciais muitas vezes este parâmetro é de mais de 200 dias. Um aumento no número médio de dias no leite indica um aumento do número de vacas com lactação de mais de 365 dias, o que obedece a longos períodos abertos e, especificamente, a problemas de fertilidade. Os dias no leite, brindam, de forma prática e rápida, um parâmetro da fertilidade do rebanho. -/- 1.7 Porcentagem de vacas secas -/- Espera-se que 15% das vacas estejam no grupo das vacas secas, a qualquer momento do ano. Dentro dessa porcentagem são consideradas novilhas de reposição (12,5% vacas secas e 2,5% de novilhas). Um aumento na proporção de vacas secas indica falta de homogeneidade na distribuição de partos durante o ano ou um aumento do tempo (mais de dois meses) de permanência no grupo seco, o que está relacionado com problemas de fertilidade; isto é, vacas que teriam secado por baixa produção e com pouco tempo de gestação. Pelo contrário, uma diminuição da proporção de vacas secas indica que não se está cumprindo a porcentagem de vacas gestantes por mês. Dito de outra forma, reflete um aumento do número de vacas abertas devido, frequentemente, à elevada incidência de abortos nos estábulos. -/- 2. FATORES ASSOCIADOS À FERTILIDADE -/- Esses fatores estão associados com o impacto sobre a fertilidade individual ou do rebanho, seja de forma positiva ou negativa. Estão em relação com os parâmetros raciais, genéticos ou ambientais. -/- 2.1 Produção de leite -/- A vaca especializada na produção de leite foi transformada e melhorada nos últimos 40 anos. O melhoramento genético, a utilização de dietas com maior concentração de nutrientes e melhoria dos sistemas de manejo permitiram um aumento significativo da produção de leite. Metabolicamente a vaca de hoje, com potencial genético para produzir 12 mil kg de leite/ano, é diferente da vaca de 40 anos atrás. Observou-se que vacas com maior mérito genético têm concentrações sanguíneas do hormônio do crescimento mais elevadas do que as vacas menos selecionadas, e esta diferença é independente das alterações do balanço energético. O metabolismo das vacas altamente selecionadas difere do das vacas menos selecionadas, pelo que parece torná-las mais adaptadas para mobilizar reservas energéticas corporais e para enfrentar as altas demandas de energia próprias da lactação. Estas mudanças no metabolismo animal, que assegura a disponibilidade adequada de nutrientes para a produção de leite, podem ter efeitos negativos para a função reprodutiva, especialmente quando associam a um mau manejo da alimentação. Por exemplo, as vacas selecionadas para maior produção de leite são mais propensas a ter um atraso no tempo do parto à primeira ovulação. Recentemente foi-se demonstrado uma correlação entre os valores previstos de touros para intervalo entre partos, dias à primeira inseminação e número de inseminações por concepção com a probabilidade que têm os ovócitos de suas filhas para se desenvolver até à fase de blastocisto, o que indica uma clara influência genética na fertilidade. Sem dúvida, a seleção de um rebanho maior produtor de leite também selecionou vacas menos férteis. No entanto, a participação relativa da genética, como uma causa de baixa fertilidade do efetivo leiteiro, é inferior aos fatores relacionados com a intensificação do manejo em rebanhos modernos. -/- 2.2 Número de vacas por rebanho -/- Ao mesmo tempo que aumentou-se a produção de leite por vaca, a pecuária leiteira também tem experimentado um crescimento no número de cabeças por rebanho. No Brasil tem sido observado nos últimos anos um crescimento dos rebanhos e o estabelecimento de outros novos com mais de 1000 vacas em ordenha (figura 2). O crescimento dos rebanhos faz com que as práticas mais elementares de manejo não se realizem corretamente. Um exemplo de erros de manejo, devido ao tamanho do rebanho, é durante a administração de hormônios para a sincronização da ovulação e inseminação a tempo fixo. O manejo de lotes grandes faz com que algumas vacas recebam uma injeção errada e em outros casos (não raros) que algumas vacas recebam PGF2α quando estão prenhes. O tamanho do rebanho provoca outros tipos de problemas associados ao manejo geral. Ao ser o rebanho maior e ao ter práticas de manejo mais intensivo (rebanhos com três ordenhas), os trabalhadores perdem mais facilmente o controle das vacas. Por outro lado, o confinamento em grandes grupos também pode afetar a fertilidade, já que se sabe, por exemplo, que o confinamento está associado à incidência de diferentes condições que afetam a reprodução (exemplo: retenção da placenta e infecções uterinas). -/- Figura 2: O problema da fertilidade se agravou nos últimos anos devido ao crescimento dos rebanhos leiteiros. Arquivo pessoal do autor. -/- 2.3 Início da atividade ovariana pós-parto -/- O intervalo do parto para a primeira ovulação foi associado com a fertilidade. Assim, as vacas que ovulam rápido após o parto, têm mais ciclos estrais antes da primeira inseminação, o que as torna mais férteis que as vacas que têm menos ciclos estrais. O tempo médio do parto à primeira ovulação aumentou nos últimos 40 anos; assim, em 1964 era de 30 dias e atualmente é de 40 dias. O intervalo do parto para a primeira ovulação é afetado principalmente por alterações metabólicas que ocorrem durante o período de transição. Observou-se que a perda de condição corporal superior a 1 ponto (escala 1 a 5) durante as quatro primeiras semanas pós- -parto, prolonga o período do parto até à primeira ovulação. -/- 2.4 Número de serviços -/- No passado, a baixa fertilidade era uma condição que se limitava às vacas repetidoras (vacas com mais de três serviços inférteis), atualmente, sabe-se que este problema é crítico desde o primeiro serviço, no qual, com frequência, a porcentagem de concepção não é superior a 30%. Nos atuais rebanhos leiteiros é frequente que as vacas do terceiro e quarto serviço tenham uma porcentagem de concepção maior do que o primeiro e o segundo serviço. O efeito do número de serviços indica que algumas causas de infertilidade nas vacas leiteiras estão relacionadas com a proximidade do período pós-parto, desta forma ao acumular mais dias em leite observa-se uma melhoria na fertilidade. As vacas nos primeiros dois serviços estão mais expostas a fatores que podem conduzir a uma concepção deficiente, tais como o balanço energético negativo ou qualquer problema relacionado com o puerpério; enquanto as vacas com três ou mais serviços estão mais distantes de serem influenciadas por tais fatores. Há evidência de que o balanço energético negativo afeta a função do corpo lúteo do segundo e terceiro ciclos pós-parto e diminui o potencial dos ovócitos para desenvolver embriões viáveis (tabela 3 e figura 3). -/- Tabela 3: Porcentagem de concepção por número de serviços em vacas leiteiras Número de serviços Vacas inseminadas Vacas gestantes % de concepção 1 3154 943 30b 2 2037 633 31b 3 1278 464 36c ≥ 4 1738 615 35c -/- b, c - valores que não compartilham a mesma literal, são diferentes (P<0,05). Fonte: TIXI et al., 2009. -/- Figura 3: A porcentagem de conceção é aumentada à medida que transcorrem os dias pós-parto. Este fenômeno se deve a que com o passar dos dias após o parto a vaca se afasta das patologias do puerpério, já que com as ondas foliculares vão sendo eliminados os folículos e ovócitos afetados pelo balanço negativo de energia e começam a desenvolver outros com maior potencial para desenvolver embriões saudáveis. Elaborado pelo autor. 2.5 Concentrações séricas de progesterona -/- As causas da baixa fertilidade na vaca leiteira são de natureza diversa; entretanto, muitas delas estão relacionadas com a alta produção de leite e com concentrações séricas baixas de progesterona. As vacas leiteiras têm níveis subnormais de progesterona sérica devido à elevada taxa de eliminação hepática determinada pelo elevado consumo de matéria seca (tabela 4; figuras 4 e 5). Foi demonstrado que as vacas em lactação têm concentrações séricas de progesterona inferiores às das novilhas ou às vacas que não estão em lactação. As baixas concentrações de progesterona têm sido relacionadas com anormalidades do desenvolvimento embrionário precoce e com menor secreção de IFN-τ mas, o efeito da progesterona na fertilidade não se limita à influência que este hormônio possui no desenvolvimento embrionário, mas também está associada com alterações na dinâmica folicular. As vacas com níveis subnormais de progesterona sérica ovulam folículos que têm mais dias de dominação que vacas com níveis normais de progesterona. Sabe-se que os folículos com mais dias de domínio liberam ovócitos com menor potencial para desenvolver um embrião saudável. Além disso, as vacas que têm uma fase lútea com níveis elevados de progesterona pré-inseminação tendem a ser mais férteis do que vacas com níveis mais baixos. -/- Figura 4: Uma das principais causas da falha na concepção é o baixo nível de progesterona sérica, o qual deve-se à disfunção do corpo e à rápida eliminação da progesterona no fígado. Arquivo pessoal do autor. -/- A participação relativa das concentrações subnormais de progesterona sérica, como causa de infertilidade, é maior nas vacas de primeiro serviço que nas vacas de maior serviço, devido que as de primeiro serviço estão mais próximas do balanço energético negativo e do pico de lactação. Tabela 4: Diferenças de algumas características reprodutivas entre vacas em lactação e novilhas Características reprodutivas Vacas em lactação Novilhas Duração do estro (h) 8,7 13,8 Dupla ovulação (%) 20 1 Partos gêmeos (%) 8 1 Porcentagem de concepção 30 - 35 65 - 70 Perdas gestacionais (%) 20 5 Tamanho do folículo ovulatório (mm) 18,5 14,9 Concentração máxima de estradiol (pg/ml) 7,9 11,3 Volume do corpo lúteo (mm3) 11,1 7,3 Concentração máxima de progesterona (ng/ml) 5,6 7,3 -/- Fonte: WILTBANK et al., 2006. -/- Figura 5: O elevado consumo de matéria seca na vaca leiteira provoca um aumento do fluxo hepático, acelerando assim a eliminação dos hormônios esteroides. Elaborado pelo autor. -/- 2.6 Nutrição -/- Independentemente do efeito das alterações metabólicas causadas pelo balanço energético negativo, as dietas oferecidas às vacas de alta produção também podem afetar a fertilidade. Um consumo excessivo de proteína degradável (>18%) e uma deficiência relativa de carboidratos provoca um aumento de amoníaco no rúmen. Este composto é absorvido pela parede ruminal e no fígado é convertido em ureia. Outra fonte de ureia é a gerada no fígado durante o processo de catabolismo dos aminoácidos. Assim, as vacas alimentadas com altos níveis de proteína degradável têm altas concentrações de ureia no sangue, que diminui o potencial dos ovócitos para desenvolver embriões saudáveis e afeta a viabilidade embrionária. Fornecer todos os nutrimentos às vacas com altos níveis de produção obriga a oferecer dietas altas em energia (dietas energéticas), baseadas em grãos como o milho. Desta forma, ocorre frequentemente acidose ruminal subclínica, o qual também está associada com a baixa fertilidade. A associação entre acidose e fertilidade não é clara, mas pode ser determinada por absorção de endotoxinas e liberação de prostaglandinas. A semente e caroço de algodão são usados em dietas de vacas em sistemas intensivos de produção. Esta semente/caroço, além de ser uma excelente fonte de energia, proteína e fibra, contém altas concentrações de gossipol. Esta substância é altamente tóxica em espécies monogástricas, no entanto, os ruminantes são relativamente resistentes ao gossipol, uma vez que este pigmento é inativado pelos microrganismos do rúmen. A quantidade de semente de algodão contida nas dietas comuns oferecidas às vacas leiteiras (10% da matéria seca) provocam concentrações de gossipol no plasma dentro da margem de segurança (< 5 μg/ml). No entanto, a utilização de maiores quantidades de sementes de algodão ou a utilização de variedades com maior conteúdo deste pigmento, geram concentrações plasmáticas de gossipol superior a > 5 μg/ml, que diminuem a porcentagem de concepção. Observações em gados leiteiros na Califórnia, com dietas que continham sementes de algodão com maior teor de gossipol, mostraram uma diminuição significativa da fertilidade. -/- 2.7 Estresse calórico -/- O gado leiteiro é altamente sensível às altas temperaturas, a prova disso é a redução da fertilidade quando os animais se encontram em climas quentes ou durante a época do ano com maior temperatura. A porcentagem de concepção chega a cair de 30% obtido nos meses temperados ou frios, para 10 ou 15% durante o verão. Os efeitos do estresse calórico na reprodução do gado leiteiro aumentaram nos últimos anos, o que coincidiu com o aumento da produção de leite. Verificou-se que o aumento do peso vivo das vacas leiteiras e o aumento na produção de leite refletiu em um aumento da produção de calor metabólico. Desta forma, as vacas com maiores pesos e produções têm um aparelho digestivo com maior capacidade, o que lhes permite consumir e digerir mais alimento. Durante o metabolismo dos nutrientes gera-se calor, o qual contribui com a manutenção da temperatura corporal, condição favorável em climas frios; no entanto, em climas quentes o calor deve ser removido para manter a temperatura corporal dentro dos intervalos normais. Como a capacidade de termorregulação da vaca leiteira é limitada, é comum que, nas vacas sujeitas a estresse calórico, a temperatura corporal alcance valores entre 39,5 e 41,5 °C (figura 6), lembrando que a temperatura corporal normal dos bovinos é de 37,5 a 38,5 ºC em adultos e de 38,5 a 39,5 ºC em animais jovens. -/- Figura 6: Vacas com estresse calórico. Nestas vacas é frequente que a temperatura corporal chegue a 41,5 ºC. Medidas de ventilação e bem-estar devem ser tomadas para prevenir. Observe a respiração ofegante a fim de dissipar o calor interno. Arquivo pessoal do autor. -/- O aumento da temperatura corporal tem efeitos negativos na reprodução. No Brasil há regiões onde é evidente o efeito negativo do estresse calórico na fertilidade; assim, em regiões muito quentes e de clima com caráter árido ou semiárido é observada uma redução da porcen- tagem de concepção nos meses quentes e secos do ano. Em outras regiões do centro-sul do país, ainda não é observada visualmente uma redução da fertilidade nos meses quentes e secos; contudo, dado que as vacas apresentam uma tendência ascendente na produção de leite e, consequentemente, na geração de calor, além do aumento da temperatura ambiental é possível que nos próximos anos comece a ser observado este fenômeno. Uma redução da fertilidade durante o verão já é observada e relatada em regiões dos Estado Unidos e Canadá, onde até alguns anos atrás não era evidente esse efeito. Em condições in vivo, o estresse calórico, durante os dias um a sete após o estro, afeta o desenvolvimento embrionário em vacas superovuladas. In vitro, a exposição dos embriões a temperaturas equivalentes à temperatura retal das vacas, sob estresse calórico (41 °C), diminui a proporção de embriões que chegam ao estágio de blastocisto. A suscetibilidade dos embriões ao estresse calórico diminui conforme estes avançam em seu desenvolvimento. Assim, os embriões de duas células são mais suscetíveis do que os embriões no estágio de mórula. Também, o estresse calórico diminui a capacidade dos embriões para produzir IFN-τ. O efeito do estresse calórico na fertilidade não é apenas observado durante os meses mais quentes, mas também é evidente um efeito a longo prazo (efeito residual), uma vez que as vacas submetidas ao estresse calórico durante o verão mantêm baixa fertilidade durante o outono. Este efeito pode ser explicado pelo efeito negativo das altas temperaturas nos ovócitos durante as diferentes etapas do desenvolvimento folicular (figura 7). -/- Figura 7: O estresse calórico tem efeito a longo prazo (efeito residual); assim, as vacas sujeitas a estresse calórico durante o verão também mostram baixa fertilidade na primeira metade do outono. Este efeito pode ser explicado pelo efeito negativo das altas temperaturas nos ovócitos, durante as diferentes etapas do desenvolvimento folicular. Elaborado pelo autor. -/- O estresse calórico pode afetar a reprodução indiretamente através das alterações que provoca no consumo voluntário. As vacas sob estresse calórico reduzem o consumo de matéria seca o que torna o balanço energético negativo mais agudo. Assim, os efeitos do estresse calórico na reprodução combinam-se com os efeitos do balanço energético negativo. Por exemplo, o anestro pós-parto se prolonga em vacas com balanço energético negativo e se agrava durante o verão, resultando em um período anovulatório mais longo (figura 8). -/- Figura 8: Diferentes efeitos do estresse calórico na reprodução das vacas leiteiras. Fonte: Adaptação de DE RENSIS & SCARAMUZZI, 2003. -/- 2.8 Estratégias para diminuir o efeito do estresse calórico na fertilidade -/- 2.8.1 Sombreamento -/- A diminuição da exposição à radiação solar direta usando sombreamento é o método mais simples. Existem vários projetos de sombreamento, mas o que sempre deve ser considerado é uma boa altura, por exemplo do telhado em relação ao solo, para que o ar flua, boa orientação, para que o sol incida no piso, e deve oferecer espaço suficiente para todos os animais (figura 9). O benefício do sombreamento, seja natural ou artificial, na reprodução tem sido demonstrado em diversos estudos; no entanto, as sombras só diminuem os efeitos do estresse calórico em condições de temperatura e umidade não extremas (por exemplo, em climas temperados ou em regiões com baixa umidade relativa). -/- Figura 9: Currais com sombreamento artificial, ótima opção para regiões áridas e/ou semiáridas do país. Arquivo pessoal do autor. -/- 2.8.2 Ventilação forçada -/- O movimento do ar favorece a perda de calor por convecção e em condições de baixa umidade ambiental, permite a eliminação de calor por evaporação (figura 10, 11 e 12). -/- Figura 10: Currais com ventiladores instalados no teto (ventilação forçada). Arquivo pessoal do autor. -/- Figura 11: Currais com ventiladores instalados no teto (ventilação forçada). Arquivo pessoal do autor. -/- Figura 12: Currais com ventiladores instalados no teto (ventilação forçada). Arquivo pessoal do autor. -/- 2.8.3 Refrescamento/banhos em tanques -/- Este método consiste na construção de tanques, para que as vacas permaneçam em imersão durante curtos períodos (figura 13 e 14). É um método eficaz para que as vacas percam calor nas horas mais quentes do dia, mas é pouco prático já que as vacas devem se mover de seus alojamentos. É mais empregado em regiões de intenso calor dos Estados Unidos com ótimos índices de bem-estar para as vacas e viabilidade tanto para a fertilidade quanto para a financeira. A questão do deslocamento dos animais está relacionada ao manejo. -/- Figura 13: Tanques de refrescamento no Norte da Flórida, Estados Unidos. Arquivo pessoal do autor. -/- Figura 14: Tanques de refrescamento no Norte da Flórida, Estados Unidos. Arquivo pessoal do autor. 2.8.4 Refrescamento com umidade/aspersão de água e ventilação forçada -/- As aspersões de água para umedecimento só favorecem a perda de calor quando a umidade relativa é baixa. Em condições com umidade relativa elevada, deve-se combinar o umedecimento com a ventilação forçada. Existem duas possibilidades para combinar estas técnicas: a primeira consiste na utilização de um sistema que gera pequenas gotas (nebulizadores) que, quando evaporadas, arrefecem o ar permitindo a eliminação de calor por convecção (perda de calor por diferença de temperatura entre a superfície do animal e do ar); este sistema é mais eficaz quando se introduz uma corrente de ar fresco (figura 15). A segunda consiste na aspersão de água para umedecer a pele, combinada com ventilação forçada. Este sistema pode ser usado nos alojamentos e na área de espera da sala de ordenha (figura 16). -/- Figura 15: Instalações com refrescamento por aspersão e ventilação forçada em condições semiáridas. Arquivo pessoal do autor. -/- A utilização de sistemas de arrefecimento conseguiu reduzir parcialmente os efeitos negativos do estresse calórico na reprodução, mas a fertilidade continua a ser inferior comparada à dos meses frescos do ano. Foram, portanto, exploradas outras estratégias dentro das quais se destaca a utilização de substâncias antioxidantes. Existe evidência de que administrar antioxidantes às vacas leiteiras pode aumentar as porcentagens de concepção; provavelmente, ao reduzir as concentrações de radicais livres que aumentam a nível celular como consequência das altas temperaturas. Por outro lado, dado que o estresse calórico afeta o embrião durante os primeiros dias de desenvolvimento (primeiros 4 dias), foi-se efetuada uma avaliação da transferência de embriões produzidos na época fresca do ano ou produzidos in vitro com resultados encorajadores, mas esta estratégia ainda tem limitações técnicas e econômicas que impedem a sua aplicação rotineira. -/- Figura 16: Arrefecimento com aspersão e ventilação forçada no espaço ou sala de espera da ordenha em condições semiáridas. Arquivo pessoal do autor. -/- 2.9 Estresse oxidativo -/- Cerca de 2% do oxigênio utilizado no metabolismo animal é convertido em espécies reativas de oxigênio entre as quais encontram os íons de oxigênio, os radicais livres e os peróxidos. Estas moléculas são removidas por vários sistemas bioquímicos presentes nas células e nos fluidos extracelulares, conhecidos como antioxidantes. A produção excessiva de moléculas oxidantes e a deficiência de substâncias antioxidantes leva à sua acumulação e dano celular, o que é conhecido como estresse oxidante. A acumulação de espécies reativas de oxigênio pode ser uma causa de baixa eficiência reprodutiva, porque eles podem afetar a síntese de hormônios esteroides, taxa de fertilização e desenvolvimento precoce do embrião. Dentro dos sistemas antioxidantes estão o selênio, vitamina E e β-carotenos. No entanto, estes antioxidantes estão presentes nas dietas dos bovinos, porém a sua administração exógena intramuscular melhora o desempenho reprodutivo. As vacas leiteiras altas produtoras necessitam de maiores quantidades de substâncias antioxidantes, porque o seu metabolismo oxidativo é maior dado ao elevado consumo de energia metabolizável. Em testes de campo com vacas leiteiras, a complementação com selênio e vitamina E, antes e depois do parto, diminuiu as patologias do puerpério e melhorou a fertilidade; além disso, a sua administração em vacas superovuladas melhora a qualidade embrionária. Além disso, a inclusão de β-carotenos na dieta melhora a fertilidade em vacas sob estresse calórico. -/- 2.10 Momento e técnica da inseminação artificial -/- Em 1948, Trimberger recomendou o esquema de inseminação artificial am-pm e pm-am, o que significa que as fêmeas observadas em estro na parte da manhã são inseminadas na parte da tarde e as da tarde são inseminadas na manhã seguinte. Este horário de inseminação é utilizado desde então; no entanto, nas condições atuais não é o ideal. A inseminação deve ser realizada durante o período de receptividade sexual, que dura de 8 a 18 horas. A ovulação ocorre de 28 a 30 horas após o início do estro e o ovócito tem uma vida de 8 a 10 horas. Por outro lado, os espermatozoides têm uma viabilidade de 24 a 36 horas e para que alcancem a maior capacidade de fertilização, devem permanecer, pelo menos, seis horas na região do istmo, antes da ovulação para se capacitarem. De tal modo que o depósito do sêmen, 12 horas após o início do estro, assegura o encontro de um espermatozoide com capacidade fertilizante e um ovócito com o máximo potencial para desenvolver um embrião saudável. No entanto, devido às graves deficiências que existem na detecção de estros, não se sabe se as vacas detectadas no cio encontram-se nas primeiras ou nas últimas horas do estro. No primeiro caso, se as vacas forem inseminadas 12 horas depois, estariam no momento ideal, mas no segundo caso, adiar 12 horas a inseminação tem consequências negativas sobre a fertilidade, uma vez que aumenta a probabilidade de fertilização de ovócitos velhos, resultando em morte embrionária precoce. Nestes casos é aconselhável inseminar no turno imediato à detecção do estro e evitar que transcorram 12 horas. A boa eficiência na detecção de estros permite inseminar no esquema am-pm e pm-am, ou inclusive em um único turno de inseminação pela manhã (10:00), com bons resultados em concepção (figura 17). Outro erro consiste em inseminar as vacas quando não apresentam estro. A determina- ção das concentrações de progesterona sérica no momento do serviço indica que de 5 a 20% das vacas têm concentrações de progesterona > 1 ng/ml, o que indica que não estão em estro. -/- Figura 17: Com a penetração do espermatozoide ativa-se o mecanismo de bloqueio da polispermia. Este mecanismo consiste na liberação de substâncias contidas nos grânulos corticais, que evitam a penetração de mais espermatozoides (A e B). O bloqueio da polispermia é menos eficaz à medida que o óvulo envelhece, de tal forma que, após 10 horas de liberação, este mecanismo falha. A consequência da polispermia é a morte embrionária precoce, devido a alterações de natureza genética (C). Elaborado pelo autor. -/- Os programas de inseminação a tempo fixo têm o risco de que se podem inseminar vacas em anestro. Por outro lado, em alguns rebanhos leiteiros toma-se, como único critério para a inseminação, o desaparecimento da pintura (marcador) da garupa, o que provoca que cerca de 10% das vacas retornem em estro nos próximos 15 dias. A taxa de fertilização indicada para o gado leiteiro foi obtida em observações experimentais, nas quais foram controlados diversos fatores que não podem ser controlados nos rebanhos comerciais, o que obriga a perguntar-se se realmente a falha na fertilização contribui apenas com 10 a 20% das falhas reprodutivas; é provável que uma proporção maior dos fracassos na concepção são devidos à baixa taxa de ovócitos fertilizados. Por outra parte, as causas da falha na fertilização também estão relacionadas com deficiências no manejo da técnica de inseminação. Não é raro que o manejo da inseminação seja deficiente e que, frequentemente, o nível de nitrogênio diminua abaixo do nível de segurança. Também é comum verificar que as doses são descongeladas sem seguir o protoco- lo e que o sêmen é depositado na vagina ou no colo do útero (figuras 18, 19 e 20). -/- 2.11 Condição corporal e fertilidade -/- A qualificação visual da condição corporal no gado leiteiro permite estimar a porcentagem de gordura corporal. As mudanças na condição corporal estão positivamente correlacionadas com as concentrações séricas de insulina, IGF-I e leptina. Estes hormônios agem como sinais que chegam ao hipotálamo e modificam a frequência de secreção do GnRH. Também se sabe que a insulina e o IGF-I estimulam o desenvolvimento folicular, a maturação do ovócito e o desenvolvimento embrionário (figura 21). -/- Figura 18: Frequentemente, os problemas de fertilidade têm origem na técnica de inseminação. O trabalho dos inseminadores deve ser supervisionado regularmente. Arquivo pessoal do autor. -/- Figura 19: Os técnicos inseminadores devem ser retreinados com frequência. Arquivo pessoal do autor. -/- Figura 20: O sêmen deve ser depositado no corpo do útero. Arquivo pessoal do autor. -/- Figura 21: A perda de condição corporal nos 30 dias pós-inseminação diminui a taxa de concepção. Arquivo pessoal do autor. -/- As vacas que ganham ou mantêm a mesma condição corporal, entre o dia da inseminação e o dia 30 depois do serviço, são mais férteis que as vacas que perdem condição corporal (tabela 5). Tabela 5: Porcentagem de concepção de vacas que ganharam, mantiveram ou perderam condição corporal nos seguintes 30 dias pós-inseminação -/- Ganharam Mantiveram Perderam % 62,1 56,6 25,1 Nº de observações (154/248) (43/76) (122/486) -/- Fonte: URZÚA et al., 2009. -/- 2.12 Mastite -/- Na vaca, a mastite não só provoca perdas econômicas pelo custo dos tratamentos, eliminação do leite, diminuição da produção e qualidade do leite e aumento da taxa de resíduos, mas também pelo efeito que tem na fertilidade. Existem diferentes estudos que demonstraram uma correlação negativa entre a mastite e a fertilidade. Assim, as vacas que tiveram mastite clínica antes do primeiro serviço, e entre o primeiro serviço e o diagnóstico de gestação foram menos férteis do que as vacas que não sofreram mastite. Da mesma forma, as vacas com mastite clínica, entre a inseminação e o diagnóstico de gestação, tiveram maior risco de perder a gestação. O mecanismo pelo qual a mastite clínica afeta a fertilidade é desconhecido, no entanto, são propostos diferentes possibilidades. O aumento da temperatura corporal secundária à mastite pode afetar a maturação dos ovócitos e o desenvolvimento embrionário, tal como ocorre em vacas expostas a estresse calórico; as substâncias produzidas pelas células durante o processo inflamatório afetam a maturação dos ovócitos e diminuem a proporção de embriões que chegam à etapa de blastocisto; as citocinas promovem a liberação de cortisol, o qual afeta a secreção do LH; A PGF2α (liberada durante o processo infeccioso) pode causar luteólise, o que pode explicar a maior incidência de abortos em vacas com mastite. A diminuição da fertilidade é observada não só nas vacas que sofrem de mastite clínica, mas também naquelas que apresentam a forma subclínica. As vacas que sofreram mastite subclínica antes da inseminação tiveram maior risco de perder a gestação entre os dias 28 a 45. Além disso, a mastite subclínica afeta a síntese de estradiol nos folículos e o intervalo do estro à ovulação, o que poderia ocasionar uma assimetria entre a inseminação e o momento da ovulação. -/- 2.13 Endometrite -/- Entre 20 a 30% das vacas sofrem de endometrite subclínica. As vacas com este problema mostram menor fertilidade do que as vacas saudáveis. Provavelmente, as mudanças no endométrio causadas pelo processo inflamatório afetam a viabilidade embrionária. -/- 2.14 Dinâmica folicular pré-serviço e pós-serviço -/- A sobrevivência embrionária também está associada com a dinâmica folicular, antes e depois do serviço. A fertilidade é maior nas vacas que apresentam três ondas foliculares antes do serviço do que naquelas que têm duas. Em outras palavras, a fertilidade é maior nas vacas que ovulam folículos da terceira onda do que da segunda onda. Isto ocorre porque os folículos ovulatórios das vacas com duas ondas têm mais dias de dominação do que os de três ondas, o que afeta o potencial dos ovócitos para desenvolver um embrião viável (figuras 22 e 23). Da mesma forma, o número de ondas foliculares após o serviço também influencia a fertilidade, de tal forma que as vacas que apresentam três ondas foliculares têm uma fase lútea mais longa e são mais férteis do que as de duas ondas. -/- Figura 22: A porcentagem de concepção é maior quando a vaca tem um ciclo estral pré-serviço com três ondas foliculares do que quando tem duas ondas. Isto obedece a que os folículos ovulatórios das vacas com duas ondas têm mais dias de dominação do que os de três ondas, o que afeta o potencial dos ovócitos para desenvolver um embrião viável. Esta figura mostra uma vaca com três ondas foliculares que ovula um folículo que teve quatro dias de dominação. Elaborado pelo autor. -/- Figura 23: Esta figura mostra uma vaca com duas ondas foliculares no ciclo estral pré-serviço, que ovula um folículo que teve sete dias de dominação. A porcentagem de concepção será menor nestas vacas do que naquelas com três ondas foliculares no ciclo anterior. Elaborado pelo autor. -/- 2.15 Número de folículos antrais: indicador da fertilidade nas vacas -/- Durante o ciclo estral, o número de folículos antrais (>3 mm de diâmetro) varia amplamente entre as vacas; em uma onda folicular pode flutuar de 5 a 50, em ambos os ovários. Esta característica é repetível na mesma vaca, e está correlacionada positivamente com o número total de folículos viáveis e com a fertilidade. Em observações feitas em vacas leiteiras pós-parto verificou-se que o número de folículos antrais presentes na primeira onda folicular está correlacionado positivamente com a fertilidade, de tal forma que as vacas com mais folículos antrais tiveram maior porcentagem de conceção, menos dias abertos e menos serviços por concepção do que vacas com poucos folículos. Além disso, as concentrações séricas de progesterona são mais elevadas nas vacas que têm mais folículos antrais do que aquelas que têm menos folículos. Em outras observações com vacas superovuladas foi-se correlacionado positivamente o número de folículos antrais anteriores ao tratamento com FSH com o número de ovulações e de embriões transferíveis. A causa da variação na oferta de folículos antrais não é conhecida, mas propõe-se que têm origem desde o desenvolvimento embrionário; assim, pode-se dever a diferenças na proliferação das ovogônias ou à variação na taxa de atresia dos folículos primordiais. O ambiente materno durante a fase embrionária e fetal não só é determinante para que nasça um bezerro viável, mas também tem efeitos a longo prazo na progênie. No ser humano, o ambiente fetal determina o risco de doenças na vida adulta, tais como problemas cardiovasculares, obesidade e diabetes. Na vaca tem sido observado que a má nutrição durante a vida fetal determina o número de folículos antrais. Além disso, a coincidência do desenvol- vimento embrionário com a fase mais crítica do estresse lactacional está associada com características da bezerra na vida adulta, como sobrevivência, produção de leite e número de células somáticas. O manejo reprodutivo na vaca leiteira tem como meta que a vaca tenha um intervalo entre partos de 385 dias, o que significa que a vaca deve ficar gestante na etapa mais crítica de sua vida: isto é durante o pico de lactação e quando ainda se encontra em balanço negativo de energia. Desta forma, o desenvolvimento do folículo ovulatório, ovulação, fertilização, desenvolvimento embrionário e desenvolvimento fetal precoce, ocorrem quando a vaca tem maiores carências. Tomando a informação referida em conjunto, é possível que as bezerras que tiveram seu desenvolvimento embrionário e fetal, no período mais crítico da vaca, sejam animais com baixa fertilidade na sua vida adulta. -/- 2.16 Anormalidades do aparelho reprodutor -/- A falha na concepção também se deve a anomalias congênitas e adquiridas do aparelho reprodutor. Embora as anormalidades congênitas nas vacas adultas sejam raras, elas devem ser sempre consideradas na revisão de vacas inférteis. O cérvix duplo é uma anormalidade de desenvolvimento devido a um falha na fusão dos condutos de Müller. O duplo cérvix pode ser completo, no qual cada conduto comunica-se com o seu respectivo corno uterino, ou parcial, onde os orifícios externos se comunicam com um único canal cervical. É uma condição pouco frequente e raramente interfere com a fertilidade, embora quando se apresenta na forma completa pode afetá-la sempre que se insemina do lado oposto do ovário que contém o folículo ovulatório. Na literatura é reportado casos de distocia devido a esta anormalidade (figura 24). A aplasia segmentar também é uma anormalidade rara, caracterizada pela falta de desenvolvimento de um corno uterino. Se a ovulação ocorre do lado onde está o corno uterino completo, a vaca pode ficar gestante e parir sem complicações, mas quando a ovulação ocorre do lado da aplasia, a concepção fracassa e a vaca apresenta anestro, já que não tem o corno uterino a PGF2α não atinge o ovário com um padrão luteolítico (figura 25). -/- Figura 24: Duplo cérvix completo em uma vaca leiteira. Arquivo pessoal do autor. -/- Figura 25: Aplasia segmentar. Se a ovulação ocorrer do lado onde está o corno uterino saudável a vaca pode ficar gestante, mas quando a ovulação ocorre do lado da aplasia, a concepção falha e a vaca apresenta anestro. Arquivo pessoal do autor. -/- As anomalias do aparelho reprodutor são frequentes nas vacas leiteiras adultas e causam infertilidade e eliminação das vacas do rebanho. Dentro destas patologias destacam-se salpingite e aderências ováricas. A salpingite é a inflamação do oviduto e pode ser unilateral ou bilateral. Quando é unilateral a vaca pode ficar gestante se a ovulação ocorre do lado saudável, mas quando é bilateral, ocasiona esterilidade. A causa da salpingite está relacionada com a injeção de estrogênio em vacas com infecções pós-parto. Observam-se variantes da salpingite como piossalpinge, caracterizada pela dilatação do oviduto por acumulação de exsudado purulento, e hidrossalpinge, caracterizada por acumulação de líquido (figuras 26 e 27). As aderências ováricas são consequência de processos inflamatórios geralmente provocados por infecções ascendentes. O ovário pode ficar preso ao oviduto ou à bolsa ovárica, o que interfere com a ovulação e com o transporte do ovócito. Assim como a salpingite, se a afetação for unilateral, a vaca pode eventualmente ficar gestante, mas quando é bilateral a vaca fica estéril (figura 28). -/- Figura 26: Algumas infecções uterinas chegam a encapsular-se e formam-se abcessos. Esta patologia pode ocasionar infertilidade. Arquivo pessoal do autor. -/- Figura 27: Inflamação do oviduto. A causa desta patologia está relacionada com a injeção de estrogênios em vacas com infecções pós-parto. Arquivo pessoal do autor. -/- Figura 28: As aderências ováricas são consequência de processos inflamatórios geralmente provoca- dos por infecções ascendentes. Arquivo pessoal do autor. -/- 3. TRATAMENTOS HORMONAIS PARA MELHORAR A PORCENTAGEM/TAXA DE CONCEPÇÃO -/- Existem diversos tratamentos para melhorar a porcentagem de concepção, que têm como objetivo principal diminuir a mortalidade embrionária; no entanto, devido ao fato de a etiologia da morte embrionária ser diversa, os resultados são pouco consistentes e na maioria dos casos em que se observa efeito favorável, este é cerca de 10% (figura 29). -/- Figura 29: Os tratamentos para melhorar a porcentagem de concepção estão orientados a diminuir os efeitos negativos dos fatores que provocam a morte embrionária durante os primeiros 16 dias pós-inseminação. Elaborado pelo autor. 3.1 Progesterona -/- Foram desenvolvidos tratamentos para aumentar o nível sérico de progesterona. Assim, a progesterona foi administrada em dispositivos intravaginais o que induz um corpo lúteo acessório através de uma injeção de hCG no dia cinco após o estro. No primeiro, os resultados foram variáveis, enquanto no segundo caso obteve-se um aumento consistente da fertilidade, particularmente nas vacas de primeiro serviço. -/- 3.2 hCG no quinto dia pós-inseminação -/- Para além do aumento do nível sérico de progesterona nas vacas tratadas com hCG no dia 5, a luteinização do folículo dominante no dia 5, com hCG, faz com que uma elevada proporção das vacas apresente três ondas foliculares e uma fase lútea mais longa. De tal forma que o aumento da porcentagem de concepção pode ser promovido pelo aumento da progesterona sérica e pela modificação da dinâmica folicular. Independentemente do mecanismo de ação do hCG, esta é uma opção eficaz para melhorar a fertilidade das vacas leiteiras (figura 30 e tabela 6). -/- Figura 30: A injeção de hCG no dia 5 pós-inseminação tem como propósito provocar a ovulação do folículo dominante e a formação de um corpo lúteo acessório. Elaborado pelo autor. -/- Tabela 6: Porcentagem de concepção no 30º dia em vacas de primeiro serviço tratadas com hCG no 5º dia Estudo Tratamento Porcentagem de concepção SANTOS et al., 2001 hCG 45,8a Controle 38,7b URZÚA et al., 2009 hCG 55,9a Controle 41,0b -/- a, b Diferença literal na mesma coluna indica diferença estatística (P < 0,05). -/- 3.3 GnRH ou hCG no momento da inseminação -/- Esta forma de enfrentar a falha na concepção se fundamenta no conhecimento de que estes hormônios sincronizam a ovulação com o momento da inseminação, bem como previ- nem problemas de ovulação retardada e melhoraram o desenvolvimento do corpo lúteo. No entanto, a fertilidade obtida com estes tratamentos é variável entre estudos. -/- 3.4 GnRH ou hCG nos dias 12 a 14 pós-inseminação -/- Foi proposto que um dos fatores que contribui com a falha na concepção é a incapaci- dade do embrião para evitar a regressão do corpo lúteo. Desta forma, a inibição da cascata da secreção da PGF2α poderia melhorar as porcentagens de concepção, já que ao embrião se daria mais tempo para alcançar o estado ótimo de desenvolvimento, que lhe permita estabelecer eficazmente o mecanismo de reconhecimento materno da gestação. Este é o princípio dos tratamentos com GnRH ou hCG entre 12 e 14 dias pós-inseminação, que provoca a ovulação ou a luteinização dos folículos, que resulta na diminuição das concentrações séricas de estradiol. Na prática, foram avaliados tratamentos com GnRH ou hCG nos dias 12 a 14; no entanto, os resultados em fertilidade também são variáveis. -/- 3.5 Hormônio bovino do crescimento (bGH) ou somatotropina bovina (bST) -/- No gado leiteiro é comum o uso da bST para aumentar a produção de leite. A utilização deste hormônio em forma periódica aumenta de 10 a 20% a produção láctea. Alguns dos efeitos da bST na produção de leite obedecem à ação direta deste hormônio. No entanto, o maior efeito é provocado pelo IGF-I, que aumenta em resposta ao tratamento com bST. A bST e o IGF-I também desempenham funções importantes no controle da reprodução. Os dois hormônios, participam na regulação do desenvolvimento folicular, na função do corpo lúteo e, especialmente, nas primeiras etapas do desenvolvimento embrionário. Estudos in vitro e in vivo mostram efeitos favoráveis do IGF-I no desenvolvimento embrionário. O IGF-I evita o efeito negativo de algumas substâncias tóxicas para os embriões presentes no meio uterino. A aplicação de 500 mg de bST, no dia da inseminação, tem demonstrado eficácia para aumentar a porcentagem de concepção em vacas repetidoras e em vacas com mais de 100 dias em leite; em contraste, este tratamento não teve êxito nas vacas de primeiro serviço (tabelas 7 e 8). -/- Tabela 7: Porcentagem de concepção de vacas repetidoras tratadas com 500 mg de bST no dia da inseminação Estudo Grupos n Porcentagem de concepção MORALES et al., 2001 bST 201 36a Controle 309 25b MENDOZA, 2000 bST 175 46a Controle 141 35b -/- a, b P < 0,05. -/- Tabela 8: Porcentagem de concepção de vacas de primeiro serviço tratadas com 500 mg de bST no dia da inseminação Estudo Grupos n Porcentagem de concepção MENDOZA, 2000 bST 195 39 Controle 167 35 RODRÍGUEZ et al., 2001 bST 185 36 Controle 250 35 BELL et al., 2001 bST 100 29 Controle 100 31 -/- Não há diferença estatística entre grupos de cada estudo (P > 0,05). -/- 4. MORTE FETAL -/- Quando o embrião morre nos primeiros 18 dias de gestação, considera-se como morte embrionária precoce; nestes casos, apenas é observado que a vaca apresenta estro de 21 a 24 dias após a inseminação. Se o embrião morrer entre os dias 24 a 42 (antes da organogênese estar completa), considera-se morte embrionária tardia; nestas vacas ocorre a reabsorção intrauterina do embrião e só se observa um atraso do retorno ao estro. Se a morte do embrião ocorrer após o dia 45, é um caso de morte fetal. Quando os fetos morrem nos primeiros quatro meses é frequente passarem despercebidos, já que são muito pequenos e se perdem nos pisos dos currais, nestes casos observa-se que as vacas regressam ao estro (figura 31). O aborto é definido como a expulsão uterina do feto antes do termo fisiológico da gestação. De 20 a 25% das vacas diagnosticadas gestantes, no dia 45 pós-inseminação, perdem a gestação nos seguintes meses. A principal causa de abortos é de natureza infecciosa e neste trabalho serão abordadas, de forma breve, quatro doenças que os causam (figura 32). -/- Figura 31: Terminologia utilizada para as perdas de gestações na vaca. Elaborado pelo autor. -/- Figura 32: De 20 a 25% das vacas diagnosticadas gestantes no dia 45 pós-inseminação, perdem a gestação nos meses seguintes. Acervo do autor. 4.1 Brucelose -/- A brucelose bovina é uma doença causada por Brucella abortus. A Brucella abortus é uma bactéria intracelular que é transmitida pelo contato das mucosas com fetos abortados, placentas e com fluidos genitais eliminados após o aborto. Os fluidos uterinos pós-aborto contêm concentrações de bactérias superiores à dose infectante. Embora a bactéria possa estar nas instalações, a transmissão por este meio tem importância epizootiológica menor. Após o contágio, a bactéria é localizada nos nódulos linfáticos regionais, seguido de bacteremia e do estabelecimento da bactéria na placenta. A infecção em uma vaca suscetível provoca o aborto ou o nascimento de bezerros fracos. O aborto ocorre normalmente no terceiro trimestre da gestação; o feto apresenta autólise mínima e há retenção de placenta. A bactéria pode ser localizada no úbere e causar uma leve mastite, por sua vez, as crias podem ser contagiadas pelo consumo de leite de vacas infectadas. Embora o touro possa ser infectado, a transmissão venérea não é de importância epizootiológica. A vacinação é o instrumento mais importante de controle e erradicação da brucelose. As vacinas RB-51 e Cepa 19 são preparações eficazes para prevenir a doença; a desvantagem da Cepa 19 implica na realização de testes de diagnóstico adicionais para ser capaz de distinguir entre uma infecção natural ou uma resposta vacinal. Em 1996, a RB-51 começou a ser utilizada nos Estados Unidos devido à baixa prevalência da doença e a seriedade de seus programas de erradicação, uma vez que a utilização da RB-51 facilita a diferenciação dos animais doentes dos vacinados. A norma brasileira permite a utilização de ambas as vacinas, a sua escolha depende do programa que o veterinário aplicar. Os especialistas recomendam que em países com alta prevalência e com programas de controle marginais, como o Brasil, a vacina de escolha é a Cepa 19, porque proporciona proteção ligeiramente maior. É muito importante não suspender a vacinação só porque se alcançou uma prevalência baixa, a experiência demonstra que quando isso é feito há um ressurgimento da doença. O programa elementar de controle consiste na vacinação com RB-51 ou com Cepa 19 com dose completa em bezerras (RB-51 de 4 a 12 meses ou Cepa 19 de 3 a 6 meses de idade) e meia dose em vacas adultas (a correspondente RB-51 ou Cepa 19). Em regiões com prevalência maior que 10%, as bezerras vacinadas devem ser revacinadas com meia dose uma única vez, a partir dos 22 meses. A vacina não tem efeitos colaterais, embora alguns veterinários têm registrados uma diminuição da produção de leite e ocasionalmente abortos. Os machos não são vacinados porque não têm papel importante na transmissão da doença. A vacinação por si só não é suficiente para o controle da brucelose bovina, são necessárias outras disposições como a identificação e a separação dos animais positivos e medidas elementares de biossegurança. -/- 4.2 Diarreia viral bovina (DVB ou BVD) -/- A diarreia viral bovina (BVD) é uma doença causada por um pestivirus (RNA). Nos gados leiteiros, a prevalência sorológica flutua entre 40 e 90%; estima-se que cause perdas similares às provocadas pela mastite. De acordo com o efeito que o vírus tem em cultura de tecidos, são reconhecidos dois biotipos: citopático e não citopático. O vírus não citopático constitui 95% dos isolamentos em campo. Uma vez que o vírus da BVD sofre mutações frequentes, existem variações (cepas), o que determina a diferença no quadro clínico e o diferente grau de resposta imune às vacinas utilizadas. Os animais afetados mostram diarreia aguda, doença respiratória, imunossupressão, síndrome trombocitopênica, infecção persistente e infecções reprodutivas. As consequências das infecções reprodutivas dependem da fase reprodutiva em que ocorre a infecção. A BVD provoca inflamação ovariana, inflamação dos folículos, necrose das células granulosas e do corpo lúteo. Durante a onda folicular, diminui o tamanho e número de folículos recrutados, de tal forma que o resultado de infecção ovárica resulta em infertilidade. A infecção durante o desenvolvimento embrionário precoce provoca a morte do embrião. Em vacas soronegativas a infecção do feto no primeiro trimestre pode causar morte fetal, aborto, mumificação fetal e bezerros com tolerância imunológica ao vírus (animais persistentemente infectados). Se a infecção ocorrer no segundo trimestre, os bezerros nascem com defeitos congênitos (hipoplasia cerebelar) e se ocorrer no último trimestre, o feto pode ser infectado e nascer com anticorpos contra o vírus da BVD, os abortos nesta fase são raros. Os animais persistentemente infectados são a fonte mais importante de contágio da doença, já que estão eliminando constantemente o vírus. A maioria dos animais persistente- mente infectados morrem no primeiro ano de vida; no entanto, cerca de 10% atinge a idade adulta tornando-se disseminadores ativos do vírus. A identificação e eliminação destes animais é o primeiro passo para controlar a doença no rebanho. No entanto, as técnicas para este fim são complexas e de difícil acesso no Brasil. Nestas circunstâncias, a vacinação é a ferramenta mais prática para diminuir o impacto desta doença, uma vez que reduz as manifestações clínicas, além de prevenir ou diminuir infecções fetais e melhorar a qualidade do colostro. Tais práticas, juntamente com medidas rigorosas de biossegurança, permitem a atenuação do efeito deste vírus. -/- 4.3 Neosporose -/- A neosporose é uma doença causada por Neospora caninum (N. caninum). Este protozoário foi identificado pela primeira vez vez no cão em 1984 e cinco anos depois foi associado com um surto de abortos em um rebanho leiteiro no Novo México. Desde então, é considerado a causa mais importante de abortos em gado leiteiro. A doença foi diagnosticada pela primeira vez no Brasil em 1997, no estado de São Paulo, através do teste sorológico de IFI. A soroprevalência no Brasil é de 15%. O cão e alguns canídeos selvagens são hospedeiros definitivos enquanto a vaca é um hóspede intermediário. O cão é infectado por via oral e elimina cistos com capacidade infectante. Embora o cão seja potencialmente transmissor do parasita na vaca, a via de infecção relacionada com abortos é principalmente transplacentaria. Em estudos recentes foi identificado o protozoário no lúmen uterino e no ovário. Desta forma, a bezerra nasce infectada e quando atinge a idade reprodutiva e fica gestante, a infecção se reativa e afeta o feto. É possível que a imunossupressão das vacas gestantes, a nível uterino, favoreça o recrudescimento da infecção. Assim, os surtos de abortos se apresentariam mais pela reativação da infecção em vacas cronicamente infetadas, e menos por uma infecção recente transmitida por um cão. Os abortos ocorrem principalmente do terceiro ao nono mês, embora seja mais comum entre o quinto e o sexto. É frequente que os fetos infectados durante o último terço da gestação sobrevivam e se convertam em animais persistentemente infectados, o que garante a permanência da infecção no rebanho. Em vacas infectadas o risco do aborto é maior na primeira gestação do que nas seguintes. A vacinação contra N. caninum aumenta os títulos de anticorpos, o que diminui a reativação da infecção e, assim, reduz o risco de aborto. Nota-se que a vacinação não impede a transmissão transplacentária, pelo que a doença persistirá no rebanho. No entanto, já que a causa de surtos de abortos é pela reativação da infecção, uma medida de biossegurança é a expulsão de cães dentro do rebanho, com isso também é conseguido mitigar a incidência de abortos. -/- 4.4 Leptospirose -/- A leptospirose bovina compreende um grupo de doenças causadas por diversas sorovariedades de Leptospira interrogans; atualmente é uma das zoonoses mais frequentes a nível mundial. Existem sorovariedades adaptadas a hospedeiros (reservatórios) e não adaptadas (infecções acidentais), e as diferentes síndromes dependem do tipo de sorovarieda- de envolvida. A sorovariedade Hardjo tipo Hardjo-bovis, é a que possui a maior prevalência sorológica em rebanhos de bovinos leiteiros, frequentemente associadas a abortos e partos prematuros. As sorovariedades que causam infecções incidentais, associadas com abortos, são pomona, canicola, grippotyphosa, e bratislava. Na base do ciclo epizootiológico da leptospirose encontra-se o animal excretor renal, ou seja, os animais portadores crônicos da bactéria que eliminam esta, permanentemente, pela urina. A infecção é adquirida por contato das mucosas (conjuntival, nasal, vaginal e peniana) com urina, secreções genitais e leite de animais doentes, além de que também pode haver transmissão transplacentária. Alguns dos sinais da doença aguda são icterícia, hemoglobinú- ria, anemia, febre e mastite; no entanto, os abortos geralmente ocorrem sem sinais clínicos da doença. A infecção fetal pode resultar em aborto (gestações de quatro meses para o fim) e nascimento de bezerros fracos. Nota-se que os abortos provocados por sorovariedades adaptadas ocorrem de forma esporádica e são raros os casos de surtos rápidos de abortos; no entanto, as infecções acidentais podem provocar abortos com este padrão. Os fetos abortados mostram um grau avançado de autólise, estão ictéricos e edematosos. O diagnóstico da doença é estabelecido principalmente por sorologia. O isolamento da bactéria é complicado e impraticável. A interpretação dos resultados da sorologia deve ter em conta o estatuto de vacinação do rebanho, uma vez que é frequente nos rebanhos leiteiros serem aplicadas várias vacinas por ano contra diferentes sorovariedades de Leptospira, o que contribui, em todos os casos, com resultados positivos. Dentro das medidas de prevenção, a vacinação é a estratégia mais importante para reduzir a eliminação da bactéria pela urina, e para mitigar as perdas de gestação. Recomenda-se a vacinação em todos os animais jovens entre os cinco e os seis meses de idade e de seis em seis meses, a revacinação dos animais adultos. Alguns laboratórios desenvolveram vacinas com sorovariedades de leptospira endêmicas (autovacinas) em diferentes bacias leiteiras. -/- 4.5 Maceração fetal -/- A maceração fetal é uma patologia rara da gestação da vaca. Esta patologia caracteriza-se pela morte fetal durante a segunda metade da gestação, seguida de contaminação ascendente por bactérias piogênicas, retenção do feto e persistência do corpo lúteo. As vacas com um feto macerado podem apresentar exsudação purulenta por via vaginal. À palpação retal sente-se uma saliência do corno uterino e crepitação, a qual é provocada pelo choque dos ossos. O prognóstico destas vacas é reservado, pois, mesmo que elimine-se o feto, os danos causados ao endométrio são severos. Não é aconselhável tratar estas vacas, no entanto, alguns criadores insistem nisso. Se isso acontecer, o tratamento indicado consiste na administração de uma dose luteolítica de PGF2α. Em alguns casos chega-se a eliminar a totalidade do feto, embora o mais frequente é a vaca reter partes ósseas do mesmo. Nota-se que as vacas podem manter o feto ou parte dele, sem ter um corpo lúteo funcional (figura 33). -/- Figura 33: Feto macerado de uma vaca leiteira. Acervo pessoal do autor. -/- 4.6 Mumificação fetal -/- Esta pato. (shrink)

“Denn das Maß der Widerwärtigkeiten und Schlechtigkeiten wird augenblicklich wieder durch neue aufgefüllt, als glitte das eine Bein der Welt immer wieder zurück, wenn sich das andere vorschiebt. Daran müßte man die Ursache und den Geheimmechanismus erkennen!” (Robert Musil, Der Mann ohne Eigenschaften, I, 27) Die Frage, ob Evolution eine Fortschrittskomponente beinhalte, oder zumindest einen Trend zur Komplexität der Organismen oder der Ökosysteme, beschäftigt nicht nur Romanschreiber, sondern Biologen wie Philosophen (Ruse 1993). Ist Anpassung ein Schritt vorwärts? Wovon weg - (...) worauf zu? Ist der komplexere Organismus besser an seine Umwelt angepaßt? Wenn ja, was sind die Konsequenzen und Kosten solchen Fortschritts? Ludwig von Bertalanffy wunderte sich über den Sinn eines evolutionären Dramas, in dem das Leben sich umständlich immer höher schraubt, um für jede erreichte Ebene einen neuen Preis zu zahlen: für Vielzelligkeit den Tod des Individuums, für das Nervensystem den Schmerz, für das Bewußtsein die Angst (Davidson 1983). Daß Evolution nicht, wie man lange glauben wollte, partout der Komplexität zustrebt, zeigt sich am Verlust der Flugfähigkeit bei vielen Inselvögeln in Abwesenheit terrestrischer Räuber, oder an der strukturellen Vereinfachung der meisten Parasiten, wird aber besonders deutlich in den klassischen Experimenten von Spiegelman (1967). Spiegelman inkubierte die RNA eines Virus in einer konstant gehaltenen Brühe aus freien Monomeren und Replikase. Unter artifizieller Selektion für rapide Reproduktion etablierte sich in diesem Experiment nach nur 75 Generationen eine stabile Mutante, die sich zwar fünfzehnmal so schnell vermehrte, sich aber von ursprünglich 4200 Nukleotiden auf nur mehr 220 reduziert hatte, nicht viel mehr als die Erkennungsstelle für die Replikase. Im Schlaraffenland, wo Ressourcen nie weniger werden, Abfälle sich nie anhäufen und Feinde nicht existieren, in einer Umwelt also, in welcher der Organismus weder bedroht noch von den Rückwirkungen seiner eigenen Handlungen betroffen wird, verläuft die Evolution anscheinend nicht in Richtung auf zunehmende Größe und Komplexität, wie dies Bonner (1988) für die reale Welt zu zeigen versuchte, sondern genau umgekehrt. Ich werde im folgenden eine Antwort auf dieses Paradoxon skizzieren, die aus den folgenden Thesen besteht: 1. Jeder Adaptivschritt eines evoluierenden Organismus zieht einen Komplementärschritt seiner unbelebten und seiner belebten Umwelt nach sich. Die Umwelt weicht vom sich adaptierenden Organismus zurück. Der Organismus von heute ist an die Umwelt von gestern angepaßt. 2. Während die unbelebte Umwelt lediglich in passiver Weise auf das energetische Vordringen des Organismus reagiert, sind Wechselwirkungen zwischen Organismus und belebter Umwelt, also anderen Organismen, teleonomisch. Wechselwirkungen, die im Energiefluß asymmetrisch sind (wie zum Beispiel zwischen Räuber und Beute), sind im Informationsfluß komplementär asymmetrisch. In dem Maße wie Energie zum erfolgreichen Räuber fließt, fließt Information zur erfolgreichen Beute. Der Räuber von heute erbt das Beutebild von gestern. 3. Einmalige Individualität, das Resultat sexueller Fortpflanzung, vermittelt diese asymmetrische Rückkoppelung und puffert die daraus resultierende zeitverschobene Eskalation. Der Trend zur Individualisierung ist selbstverstärkend und führt zu zunehmender räumlicher und zeitlicher Komplexität von Organismen und Umwelten. Individualität ist die stärkste Triebfeder in der Gestaltung der Biosphäre. (shrink)

Natural genome editing from a biocommunicative perspective is the competent agent-driven generation and integration of meaningful nucleotide sequences into pre-existing genomic content arrangements, and the ability to (re-)combine and (re-)regulate them according to context-dependent (i.e. adaptational) purposes of the host organism. Natural genome editing integrates both natural editing of genetic code and epigenetic marking that determines genetic reading patterns. As agents that edit genetic code and epigenetically mark genomic structures, viral and subviral agents have been suggested because they may be (...) evolutionarily older than cellular life. This hypothesis that viruses and viral-like agents edit genetic code is developed according to three well investigated examples that represent key evolutionary inventions in which non-lytic viral swarms act symbiotically in a persistent lifestyle within cellular host genomes: origin of eukaryotic nucleus, adaptive immunity, placental mammals. Additionally an abundance of various RNA elements cooperate in a variety of steps and substeps as regulatory and catalytic units with multiple competencies to act on the genetic code. Most of these RNA agents such as transposons, retroposons and small non-coding RNAs act consortially and are remnants of persistent viral infections that now act as co-opted adaptations in cellular key processes. (shrink)

The public health crisis is started with emergence of new coronavirus on 11 February 2020 which triggered as coronavirus disease-2019 (COVID-19) pandemics. The causative agent in COVID-19 is made up of positively wrapped single-stranded RNA viruses ~ 30 kb in size. The epidemiology, clinical features, pathophysiology, and mode of transmission have been documented well in many studies, with additional clinical trials are running for several antiviral agents. The spreading potential of COVID-19 is faster than its two previous families, the severe (...) acute respiratory syndrome coronavirus (SARS-CoV) and the Middle East respiratory syndrome coronavirus (MERS-CoV). Apart from clinical manifestation, comorbid status is playing key role for prevalence of COVID-19 infection and mortalities. The comorbid effects associated with COVID-19 are diabetes, cardiovascular, digestive, hepatitis-B, cerebrovascular, hypertension, liver injury, coronary heart disease, cancer, rheumatoid arthritis, and neurological impairment. Antimalarial drugs (chloroquine and hydroxychloroquine), remdesivir, Tocilizumab, clopinavir/ritonavir, convalescent plasma therapy, spike protein-angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2) inhibitors, human monoclonal antibodies, mRNA-1273, mesenchymal stem cells, Indian and Chinese traditional medicine, small molecules antioxidant, natural products and dietary supplements, high doses of vitamin-E, -C, -D, minerals, flavonoids,and IFN-beta are therapeutic intervention running to develop treatment against COVID-19. Although clinical usage of these therapeutic agents against COVID-19 is well documented, cytokine storms, absence of appropriate animal model have limited its therapeutic use. This review explores the clinical information currently available on COVID-19 on the mechanisms of infection, prevention, management, comorbid status, and current drug treatment options. (shrink)