Molecular clocks based upon amino acid sequences in proteins have played a major role in the clarification of evolutionary phylogenies. Creationist criticisms of these methods sometimes rely upon data that might initially seem to be paradoxical. For example, human cytochrome c differs from that of an alligator by 13 amino acids but differs by 14 amino acids from a much more closely related primate, Otolemur garnettii. The apparent anomaly is resolved by taking into consideration the variable substitution rate of (...) cytochrome c, particularly among primates. This paper traces some of the history of extensive research into the topic of rate heterogeneity in cytochrome c including data from cytochrome c pseudogenes. (shrink)

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

An exploration of the nexus between ecology, evolutionary biology and molecular biology, via the concept of phenotypic plasticity.

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)

The study of phenotypic plasticity has progressed significantly over the past few decades. We have moved from variation for plasticity being considered as a nuisance in evolutionary studies to it being the primary target of investigations that use an array of methods, including quantitative and molecular genetics, as well as of several approaches that model the evolution of plastic responses. Here, I consider some of the major aspects of research on phenotypic plasticity, assessing where progress has been made (...) and where additional effort is required. I suggest that some areas of research, such the study of the quantitative genetic underpinning of plasticity, have been either settled in broad outline or superseded by new approaches and questions. Other issues, such as the costs of plasticity are currently at the forefront of research in this field, and are likely to be areas of major future development. (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)

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

Are physics and chemistry sufficient to provide a basis for a theory of everything? The worldview of materialist naturalism that forms the foundation of NeoDarwinian evolution, Big Bang cosmogony, and molecular biology in general has been subjected to challenge for its monumental failure to explain life, consciousness and other mind-related aspects of reality. Two recent books, Why Evolution is True by Jerry Coyne [1], and Thomas Nagel’s Mind and Cosmos: Why the Materialist NeoDarwinian Conception of Nature Is (...) Almost Certainly False [2], both authors being atheists, reflect the deep rift we find, not only in the religious conflict between creation and evolution, but in the fundamental awareness we all have that we are more than just molecular matter. This common sense understanding can only escape the notice of a particularly shallow ideological dogmatism that insists it has all the answers based solely on its unprecedented technological success. Science has come to represent two different things: (a) a body of knowledge, and (b) a method for acquiring knowledge. The problem arises when it is forgotten that there is no independent body of knowledge for science apart from its method – it keeps changing according to the results of the latest findings of the scientific method. The method is not to be abandoned because of those who would like to replace it with a fixed body of knowledge, which then becomes ideology. If biogenesis is hypothesized as the law of Nature, and we observe that life comes from pre-existing life in all our experience, while the hypothesis of abiogenesis, that life comes from matter, is never backed by any observation, then according to the scientific method—which one is to be accepted as true scientific knowledge? Obviously, the one backed by empirical observation. It is necessary to get free of ideological “knowledge,” and return to science as a method for gathering evidence that may lead to conclusions beyond the material naturalist view of Nature, and conforms to what we experience and rationally understand about the world in which we live. (shrink)

Manfred Eigen employs the terms language and communication to explain key recombination processes of DNA as well as to explain the self-organization of human language and communication: Life processes as well as language and communication processes are governed by the logic of a molecular syntax, which is the exact depiction of a principally formalizable reality. The author of the present contribution demonstrates that this view of Manfred Eigen’s cannot be sufficiently substantiated and that it must be supplemented by an (...) approach based on linguistic pragmatics. (shrink)

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

The Aristotelian axiom that function follows form was beautifully instantiated in molecular biology by the discovery of DNA’s structure that immediately suggested how DNA might work as depository and vehicle for genetic information. However, later on molecular biology became infatuated with the gene that became the center of the universe. This gene-centered viewpoint is an obstacle for the emerging field of evo-devo aiming at finding the causal connections between evolution and biological development. Here it is argued that (...) molecular biology must reject the narrow-minded causality associated with the gene-centered view and so it must recover to the spirit of Aristotelian natural history and its four types of causation in order to foster the evo-devo field of research. (shrink)

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)

The unit of selection is the concept of that ‘something’ to which biologists refer when they speak of an adaptation as being ‘for the good of’ something. Darwin identified the organism as the unit of selection because for him the ‘struggle for existence’ was an issue among individuals. Later on it was suggested that, in order to understand the evolution of social behavior, it is necessary to argue that groups, and not individuals, are the units of selection. The last (...) addition to this debate was the formulation by Dawkins, in 1976, that the genes themselves are the units of selection while the organisms are merely the temporary receptacles and vehicles for such genes. Thus, the preposterous dissolution of the organism into genes and the proteins coded by such genes has been introduced in the evolutionary discourse by neglecting that the explanations for biological phenomena can be either synchronic or diachronic, depending on the phenomenon to be explained. Therefore explanations in molecular biology are synchronic while evolutionary biology needs diachronic explanations. Nevertheless, for ultra-Darwinians such as Dawkins, efficient replication is all that biology is about. Here I develop an argument in order to show that there is nothing in molecular and cell biology that might support such a contention and that the idea of the gene as the unit of selection is incompatible with the evident evolution of biological complexity. (shrink)

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

The idea that development is the expression of information accumulated during evolution and that heredity is the transmission of this information is surprisingly hard to cash out in strict, scientific terms. This paper seeks to do so using the sense of information introduced by Francis Crick in his sequence hypothesis and central dogma of molecular biology. It focuses on Crick's idea of precise determination. This is analysed using an information-theoretic measure of causal specificity. This allows us to reconstruct (...) some of Crick's claims about information in transcription and translation. Crick's approach to information has natural extensions to non-coding regions of DNA, to epigenetic marks, and to the genetic or environmental upstream causes of those epigenetic marks. Epigenetic information cannot be reduced to genetic information. The existence of biological information in epigenetic and exogenetic factors is relevant to evolution as well as to development. (shrink)

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

Information Theory, Evolution and The Origin ofLife: The Origin and Evolution of Life as a Digital Message: How Life Resembles a Computer, Second Edition. Hu- bert P. Yockey, 2005, Cambridge University Press, Cambridge: 400 pages, index; hardcover, US $60.00; ISBN: 0-521-80293-8. The reason that there are principles of biology that cannot be derived from the laws of physics and chemistry lies simply in the fact that the genetic information content of the genome for constructing even the simplest organisms (...) is much larger than the information content of these laws. Yockey in his previous book (1992, 335) In this new book, Information Theory, Evolution and The Origin ofLife, Hubert Yockey points out that the digital, segregated, and linear character of the genetic information system has a fundamental significance. If inheritance would blend and not segregate, Darwinian evolution would not occur. If inheritance would be analog, instead of digital, evolution would be also impossible, because it would be impossible to remove the effect of noise. In this way, life is guided by information, and so information is a central concept in molecular biology. The author presents a picture of how the main concepts of the genetic code were developed. He was able to show that despite Francis Crick's belief that the Central Dogma is only a hypothesis, the Central Dogma of Francis Crick is a mathematical consequence of the redundant nature of the genetic code. The redundancy arises from the fact that the DNA and mRNA alphabet is formed by triplets of 4 nucleotides, and so the number of letters (triplets) is 64, whereas the proteome alphabet has only 20 letters (20 amino acids), and so the translation from the larger alphabet to the smaller one is necessarily redundant. Except for Tryptohan and Methionine, all amino acids are coded by more than one triplet, therefore, it is undecidable which source code letter was actually sent from mRNA. This proof has a corollary telling that there are no such mathematical constraints for protein-protein communication. With this clarification, Yockey contributes to diminishing the widespread confusion related to such a central concept like the Central Dogma. Thus the Central Dogma prohibits the origin of life "proteins first." Proteins can not be generated by "self-organization." Understanding this property of the Central Dogma will have a serious impact on research on the origin of life. (shrink)

The guide explains the basic concepts of natural, social and evolutionary components and methods of risk management and control of modern biotechnologies stemming from the general theory of human evolution. A a transdisciplinary approach is a feature of the presentation of the material The risk is considered from the point of view of evolutionary anthropology, as a basic element of a stable evolutionary strategy of our biological species and the basis of a combination of natural-scientific and humanitarian forms of (...) presentation and interpretation of the material. CONTENT BIOSAFETY AND BIOETHICS IN BIOTECHNOLOGY (Introduction). Part 1. BIOTECHNOLOGY AS A FACTOR OF EVOLUTION AND A SOURCE OF TECHNOGENIC RISK. Chapter 1. GENERAL THEORY OF TECHNOLOGICAL RISK. Chapter 2. RISK AS AN ATTRIBUTE OF STABLE HUMAN EVOLUTIONARY STRATEGY. Chapter 3. BIOTECHNOLOGY AS A SOURCE OF BIORISKS Chapter 4. COMPONENTS OF THE "BIOLOGICAL FACTOR" OF RISK. Chapter 5. BIOLOGICAL WEAPONS and BIOTERRORISM. Part 2. BIOLOGICAL, SOCIAL AND EVOLUTIONARY COMPONENTS OF THE RISK OF MODERN BIOTECHNOLOGIES Chapter 6. RISK MANAGEMENT DURING BIOTECHNOLOGICAL RESEARCH.. Chapter 7. BIOTECHNOLOGY AS A SOURCE OF SOCIAL INSTABILITY. Chapter 8. BIOTECHNOLOGY AS A SOURCE OF CIVILIZATIONAL RISK. -/- . (shrink)

Natural selection [Darwin 1859] is perhaps the most important component of evolutionary theory, since it is the only known process that can bring about the adaptation of living organisms to their environments [Gould 2002]. And yet, its study is conceptually and methodologically complex, and much attention needs to be paid to a variety of phenomena that can limit the efficacy of selection [Antonovics 1976; Pigliucci and Kaplan 2000]. In this essay, I will use examples of recent work carried out in (...) my laboratory to illustrate basic research on natural selection as conducted using a variety of approaches, including field work, laboratory experiments, and molecular genetics. I also discuss the application of this array of tools to questions pertinent to conservation biology, and in particular to the all-important problem of what makes invasive species so good at creating the sort of problems they are infamous for [Lee 2002]. (shrink)

In 1968, Motoo Kimura submitted a note to Nature entitled “Evolutionary Rate at the Molecular Level,” in which he proposed what has since become known as the neutral theory of molecular evolution. This is the view that the majority of evolutionary changes at the molecular level are caused by random drift of selectively neutral or nearly neutral alleles. Kimura was not proposing that random drift explains all evolutionary change. He does not challenge the view that natural (...) selection explains adaptive evolution, or, that the vertebrate eye or the tetrapod limb are products of natural selection. Rather, his objection is to “panselectionism’s intrusion into the realm of molecular evolutionary studies”. According to Kimura, most changes at the molecular level from one generation to the next do not affect the fitness of organisms possessing them. King and Jukes (1969) published an article defending the same view in Science, with the radical title, “Non- Darwinian Evolution,” at which point, “the fat was in the fire” (Crow, 1985b). The neutral theory was one of the most controversial theories in biology in the late twentieth century. This chapter will review the debate over the netural theory subsequent to Kimura. (shrink)

The neutral and nearly neutral theories of molecular evolution are sometimes characterized as theories about drift alone, where drift is described solely as an outcome, rather than a process. We argue, however, that both selection and drift, as causal processes, are integral parts of both theories. However, the nearly neutral theory explicitly recognizes alleles and/or molecular substitutions that, while engaging in weakly selected causal processes, exhibit outcomes thought to be characteristic of random drift. A narrow focus on (...) outcomes obscures the significant role of weakly selected causal processes in the nearly neutral theory. (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 rediscovery of Mendel's laws a century ago launched the science that William Bateson called "genetics," and led to a new view of evolution combining selection, particulate inheritance, and the newly characterized phenomenon of "mutation." This "mutationist" view clashed with the earlier view of Darwin, and the later "Modern Synthesis," by allowing discontinuity, and by recognizing mutation (or more properly, mutation-and-altered-development) as a source of creativity, direction, and initiative. By the mid-20th century, the opposing Modern Synthesis view was a (...) prevailing orthodoxy: under its influence, "evolution" was redefined as "shifting gene frequencies," that is, the sorting out of pre-existing variation without new mutations; and the notion that mutation-and-altered-development can exert a predictable influence on the course of evolutionary change was seen as heretical. Nevertheless, mutationist ideas re-surfaced: the notion of mutational determinants of directionality emerged in molecular evolution by 1962, followed in the 1980s by an interest among evolutionary developmental biologists in a shaping or creative role of developmental propensities of variation, and more recently, a recognition by theoretical evolutionary geneticists of the importance of discontinuity and of new mutations in adaptive dynamics. The synthetic challenge presented by these innovations is to integrate mutation-and-altered-development into a new understanding of the dual causation of evolutionary change--a broader and more predictive understanding that already can lay claim to important empirical and theoretical results--and to develop a research program appropriately emphasizing the emergence of variation as a cause of propensities of evolutionary change. (shrink)

Although it may seem like a truism to assert that biology is the science that studies organisms, during the second half of the twentieth century the organism category disappeared from biological theory. Over the past decade, however, biology has begun to witness the return of the organism as a fundamental explanatory concept. There are three major causes: (a) the realization that the Modern Synthesis does not provide a fully satisfactory understanding of evolution; (b) the growing awareness of the limits (...) of reductionism in molecular biology; and (c) the renewed interest in the nature of life as a genuine scientific problem. This essay examines these recent developments and considers the new epistemological roles being played by the organism in each of them. It also reflects on what the present resurgence of the organism means for the philosophy of biology. (shrink)

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)

The concept of adaptation is employed in many fields such as biology, psychology, cognitive sciences, robotics, social sciences, even literacy and art,1 and its meaning varies quite evidently according to the particular research context in which it is applied. We expect to find a particularly rich catalogue of meanings within evolutionary biology, where adaptation has held a particularly central role since Darwin’s The Origin of Species (1859) throughout important epistemological shifts and scientific findings that enriched and diversified the concept. Accordingly, (...) a conceptual taxonomy of adaptation in evolutionary biology may help to disambiguate it. Interdisciplinary researches focused on adaptation would benefit from such a result. In the present work we recognize and define seven different meanings of adaptation: (1) individual fitness; (2) adaptation of a population; (3) adaptation as the process of natural selection; (4) adaptive traits; (5) molecular adaptation; (6) adaptation as structural tinkering; (7) plasticity. For convenience here, we refer to them as W-, P-, NS-, T-, M-, S- and PL-ADAPTATION. We present the seven meanings in some detail, hinting at their respective origins and conceptual developments in the history of evolutionary thought (references are offered for further deepening). However, it is important to point out that evolution researchers seldom if ever refer to a single meaning purified from the others. This applies also to the authors we cite as representatives of one of the seven meanings. In Discussion and Conclusion draw from our work some future perspectives for adaptation within evolutionary biology. (shrink)

In identifying intrinsic molecular chance and extrinsic adaptive pressures as the only causally relevant factors in the process of evolution, the theoretical perspective of the Modern Synthesis had a major impact on the perceived tenability of an ontology of dispositional properties. However, since the late 1970s, an increasing number of evolutionary biologists have challenged the descriptive and explanatory adequacy of this “chance alone, extrinsic only” understanding of evolutionary change. Because morphological studies of homology, convergence, and teratology have revealed (...) a space of possible forms and phylogenetic trajectories that is considerably more restricted than expected, evo-devo has focused on the causal contribution of intrinsic developmental processes to the course of evolution. Evo-devo’s investigation into the developmental structure of the modality of morphology – including both the possibility and impossibility of organismal form – has led to the utilisation of a number of dispositional concepts that emphasise the tendency of the evolutionary process to change along certain routes. In this sense, and in contrast to the perspective of the Modern Synthesis, evo-devo can be described as a “science of dispositions.” This chapter discusses the recent philosophical literature on dispositional properties in evo-devo, exploring debates about both the metaphysical and epistemological aspects of the central dispositional concepts utilised in contemporary evo-devo and addressing the epistemological question of how dispositional properties challenge existing explanatory models in evolutionary biology. (shrink)

The theory of evolution, which provides the conceptual framework for all modern research in organismal biology and informs research in molecular bi- ology, has gone through several stages of expansion and refinement. Darwin and Wallace (1858) of course proposed the original idea, centering on the twin concepts of natural selection and common descent. Shortly thereafter, Wallace and August Weismann worked toward the complete elimination of any Lamarckian vestiges from the theory, leaning in particular on Weismann’s (1893) concept of (...) the separation of soma and germ, resulting in what is some- times referred to as “neo-Darwinism”. (shrink)

The archaeological record is very limited and its analysis has been contentious. Hence, molecular biologists have shifted their attention to molecular dating techniques. Recently on April 2013, the prestigious Cell Press Journal Current Biology published an article (Fu et al. 2013) entitled “A Revised Timescale for Human Evolution Based on Ancient Mitochondrial Genomes”. This paper has twenty authors and they are researchers from the world’s top institutes like Max Planck Institute, Harvard, etc. Respected authors of this paper (...) have emphatically accepted that the fossil record is inadequate and unreliable. These statements clearly substantiate that now biologists are agreeing that fossil records do not provide any significant evidence at all for conventional evolution theory. Despite the well-recorded fact of the continual grand propaganda of Darwinism based on fossil evidence for more than 150 years, in recent times biologists are surprisingly coming up with such statements, based on their confidence that evolution can be explained purely by the genealogical/genomic record provided by modern molecular biology. Still many respected journals (for example the article in Nature, Retallack, 2013) continue to publish articles on fossil evidence to support Darwinian evolution. These incoherently diverse claims prove that Darwinists are struggling with unscientific ideological approaches to explain biodiversity. Darwinian evolutionary theory is not only the basis of modern biology, but also acts as the guiding principle of science and intellectual reasoning for modern civilization. Hence, a scientific understanding of the breakdown of the Darwinian theory of objective evolution is very important for overcoming the traditional scientific temper of mechanistic intellectualism that characterizes this ideology. In my article “21st Century Biology Refutes Darwinian Abiology” (published in two parts in November and December 2012 issues of The Harmonizer: www.mahaprabhu.net/satsanga/harmonizer) it was noted that several recent findings challenge the credibility that random mutations and natural selection can provide a valid basis for justifying the naturalistic evolution of species. The present article summarizes the problems associated with the fossil record and dating techniques, and its implication on the neo-Darwinian mechanistic misconception of biological life as mere molecular chemistry or abiology. An alternative approach based on the Vedāntic view for explaining biodiversity in the light of 21st century biology is also discussed in the end of the article. (shrink)

Around 540 million years ago there was a sudden, dramatic adaptive radiation known as the Cambrian Explosion. This event marked the origin of almost all of the phyla (major lineages characterized by fundamental body plans) of animals that would ever live on earth, as well the appearance of many notable features such as rigid skeletons and other hard parts, complex jointed appendages, eyes, and brains. This radical evolutionary event has been a major puzzle for evolutionary biologists since Darwin, and while (...) our understanding of it has recently improved with new fossil finds, richer molecular phylogenies, and better grasp of ecological, evolutionary, and developmental processes generally, unanswered questions remain. In this paper I argue that a basic cognitive toolkit for embodied, object-oriented, spatial cognition (what I call Basic Cognitive Embodiment) is a practical necessity for control of a large, mobile, complexly articulated body in space. This hypothesis allows us to relate the complexification of animal bodies to the complexification of perception, cognition and behavior in a way that can help to fill in gaps in our emerging picture of the Cambrian Explosion, as well as shed light on the deep evolutionary origins of the mind. (shrink)

In this paper we extend the NeutroAlgebra & AntiAlgebra to the geometric spaces, by founding the NeutroGeometry & AntiGeometry. While the Non-Euclidean Geometries resulted from the total negation of one specific axiom (Euclid’s Fifth Postulate), the AntiGeometry results from the total negation of any axiom or even of more axioms from any geometric axiomatic system (Euclid’s, Hilbert’s, etc.) and from any type of geometry such as (Euclidean, Projective, Finite, Affine, Differential, Algebraic, Complex, Discrete, Computational, Molecular, Convex, etc.) Geometry, and (...) the NeutroGeometry results from the partial negation of one or more axioms [and no total negation of no axiom] from any geometric axiomatic system and from any type of geometry. Generally, instead of a classical geometric Axiom, one may take any classical geometric Theorem from any axiomatic system and from any type of geometry, and transform it by NeutroSophication or AntiSophication into a NeutroTheorem or AntiTheorem respectively in order to construct a NeutroGeometry or AntiGeometry. Therefore, the NeutroGeometry and AntiGeometry are respectively alternatives and generalizations of the Non-Euclidean Geometries. In the second part, we recall the evolution from Paradoxism to Neutrosophy, then to NeutroAlgebra & AntiAlgebra, afterwards to NeutroGeometry & AntiGeometry, and in general to NeutroStructure & AntiStructure that naturally arise in any field of knowledge. At the end, we present applications of many NeutroStructures in our real world. (shrink)

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

The vast literature on negative treatment of outgroups and favoritism toward ingroups provides many local insights but is largely fragmented, lacking an overarching framework that might provide a unified overview and guide conceptual integration. As a result, it remains unclear where different local perspectives conflict, how they may reinforce one another, and where they leave gaps in our knowledge of the phenomena. Our aim is to start constructing a framework to help remedy this situation. We first identify a few key (...) ideas for creating a theoretical roadmap for this complex territory, namely the principles of etiological functionalism and the dual inheritance theory of human evolution. We show how a “molecular” approach to emotions fits into this picture, and use it to illuminate emotions that shape intergroup relations. Finally, we weave the pieces together into the beginnings of a systematic taxonomy of the emotions involved in social interactions, both hostile and friendly. While it is but a start, we have developed the argument in a way that illustrates how the foundational principles of our proposed framework can be extended to accommodate further cases. (shrink)

In this paper I first offer a systematic outline of a series of conceptual novelties in the life-sciences that have favoured, over the last three decades, the emergence of a more social view of biology. I focus in particular on three areas of investigation: (1) technical changes in evolutionary literature that have provoked a rethinking of the possibility of altruism, morality and prosocial behaviours in evolution; (2) changes in neuroscience, from an understanding of the brain as an isolated data (...) processor to the ultrasocial and multiply connected social brain of contemporary neuroscience; and (3) changes in molecular biology, from the view of the gene as an autonomous master of development to the ‘reactive genome’ of the new emerging field of molecular epigenetics. In the second section I reflect on the possible implications for the social sciences of this novel biosocial terrain and argue that the postgenomic language of extended epigenetic inheritance and blurring of the nature/nurture boundaries will be as provocative for neo-Darwinism as it is for the social sciences as we have known them. Signs of a new biosocial language are emerging in several social-science disciplines and this may represent an exciting theoretical novelty for twenty-first social theory. (shrink)

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

This book provides a critical reflection on automated science and addresses the question whether the computational tools we developed in last decades are changing the way we humans do science. More concretely: Can machines replace scientists in crucial aspects of scientific practice? The contributors to this book rethink and refine some of the main concepts by which science is understood, drawing a fascinating picture of the developments we expect over the next decades of human-machine co-evolution. The volume covers examples (...) from various fields and areas, such as molecular biology, climate modeling, clinical medicine, and artificial intelligence. The explosion of technological tools and drivers for scientific research calls for a renewed understanding of the human character of science. This book aims precisely to contribute to such a renewed understanding of science. (shrink)

There is a current, ultra-Darwinian trend for finding in the process of evolution by natural selection the roots of our ethical behavior. In such a way that ethics may become a branch of biology. Nevertheless, this preposterous notion is supported on previous naive assumptions of contemporary biology that have already been falsified by recent results of research in genomics and molecular biology.

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

Ever since Darwin a great deal of the conceptual history of biology may be read as a struggle between two philosophical positions: reductionism and holism. On the one hand, we have the reductionist claim that evolution has to be understood in terms of changes at the fundamental causal level of the gene. As Richard Dawkins famously put it, organisms are just ‘lumbering robots’ in the service of their genetic masters. On the other hand, there is a long holistic tradition (...) that focuses on the complexity of developmental systems, on the non-linearity of gene– environment interactions, and on multi-level selective processes to argue that the full story of biology is a bit more complicated than that. Reductionism can marshal on its behalf the spectacular successes of genetics and molecular biology throughout the 20th and 21st centuries. Holism has built on the development of entirely new disciplines and conceptual frameworks over the past few decades, including evo-devo and phenotypic plasticity. Yet, a number of biologists are still actively looking for a way out of the reductionism–holism counterposition, often mentioning the word ‘emergence’ as a way to deal with the conundrum. This paper briefly examines the philosophical history of the concept of emergence, distinguishes between epistemic and ontological accounts of it, and comments on conceptions of emergence that can actually be useful for practising evolutionary biologists. (shrink)

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

Bacteria do many things as organized populations. We have recently learned much about the molecular basis of intercellular communication among prokaryotes. Colonies display bacterial capacities for multicellular coordination which can be useful in nature where bacteria predominantly grow as films, chains, mats and colonies. E. coli colonies are organized into differentiated non-clonal populations and undergo complex morphogenesis. Multicellularity regulates many aspects of bacterial physiology, including DNA rearrangement systems. In some bacterial species, colony development involves swarming (active migration of cell (...) groups). Swarm colony development displays precise geometrical controls and periodic phenomena. Motile E. coli cells in semi-solid media form organized patterns due to chemotactic autoaggregation. On poor media, B. subtilis forms branched colonies using group motility and long-range chemical signalling. The significances of bacterial colony patterns thus reside in a deeper understanding of prokaryotic biology and evolution and in experimental systems for studying self-organization and morphogenesis. (shrink)

In this paper we extend Neutro-Algebra and Anti-Algebra to geometric spaces, founding Neutro/Geometry and AntiGeometry. While Non-Euclidean Geometries resulted from the total negation of a specific axiom (Euclid's Fifth Postulate), AntiGeometry results from the total negation of any axiom or even more axioms of any geometric axiomatic system (Euclidean, Hilbert, etc. ) and of any type of geometry such as Geometry (Euclidean, Projective, Finite, Differential, Algebraic, Complex, Discrete, Computational, Molecular, Convex, etc.), and Neutro-Geometry results from the partial negation of (...) one or more axioms [and without total negation of any axiom] of any geometric axiomatic system and of any type of geometry. Generally, instead of a classical geometric Axiom, one can take any classical geometric Theorem of any axiomatic system and of any type of geometry, and transform it by Neutrosophication or Antisofication into a Neutro-Theorem or Anti-Theorem respectively to construct a Neutro-Geometry or Anti-Geometry. Therefore, Neutro-Geometry and Anti-Geometry are respectively alternatives and generalizations of Non-Euclidean Geometries. In the second part, the evolution from Paradoxism to Neutrosophy, then to NeutroAlgebra and Anti-Algebra, then to Neutro-Geometry and Anti-Geometry, and in general to Neutro-Structure and Anti-Structure that arise naturally in any field of knowledge is recalled. At the end, applications of many Neutro-Structures in our real world are presented. (shrink)

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

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. Diferenciação e Determinação Sexual dos Animais. Fisiologia do Ciclo Estral dos Animais Domésticos. Emanuel Isaque Cordeiro da Silva, 2021. Manejo na Avicultura: Postura, Iluminação e Incubação dos Ovos. Transporte de Gametas, Fertilização e Segmentação. FERRER‐VAQUER, Anna; HADJANTONAKIS, Anna‐Katerina. Birth defects associated with perturbations in preimplantation, gastrulation, and axis extension: from conjoined twinning to caudal dysgenesis. Wiley Interdisciplinary Reviews: Developmental Biology, v. 2, n. 4, p. 427-442, 2013. GALINA, Carlos; VALENCIA, Javier. Reproducción de los animales domésticos. 2006. GEISERT, Rodney D.; SPENCER, Thomas E. Placentation in Mammals. Springer, 2021. GINTHER, O. J. Reproductive Biology of The mare: Basic and Applied Aspects. 2. ed. Cross Plains, Wisconsin: Equiservices, 1992. GUILLOMOT, Michel. Cellular interactions during implantation in domestic ruminants. Journal of Reproduction and Fertility-Supplements only, n. 49, p. 39-52, 1995. KLEIN, C.; TROEDSSON, M. H. T. Maternal recognition of pregnancy in the horse: a mystery still to be solved. Reproduction, Fertility and Development, v. 23, n. 8, p. 952-963, 2011. MIGLINO, Maria Angelica et al. The carnivore pregnancy: the development of the embryo and fetal membranes. Theriogenology, v. 66, n. 6-7, p. 1699-1702, 2006. MOFFETT, Ashley; LOKE, Charlie. Immunology of placentation in eutherian mammals. Nature Reviews Immunology, v. 6, n. 8, p. 584-594, 2006. PRETZER, S. D. Canine embryonic and fetal development: A review. Theriogenology, v. 70, n. 3, p. 300-303, 2008. SENGER, Phillip L. et al. Pathways to pregnancy and parturition. Current Conceptions, Inc., 1615 NE Eastgate Blvd., 2012. SOZEN, Berna; CAN, Alp; DEMIR, Necdet. Cell fate regulation during preimplantation development: a view of adhesion-linked molecular interactions. Developmental biology, v. 395, n. 1, p. 73-83, 2014. SPENCER, Thomas E. et al. Pregnancy recognition and conceptus implantation in domestic ruminants: roles of progesterone, interferons and endogenous retroviruses. Reproduction, fertility and development, v. 19, n. 1, p. 65-78, 2006. VERSTEGEN-ONCLIN, K.; VERSTEGEN, J. Endocrinology of pregnancy in the dog: a review. Theriogenology, v. 70, n. 3, p. 291-299, 2008. WOODING, Peter; BURTON, Graham. Comparative placentation: structures, functions and evolution. Springer Science & Business Media, 2008. FIXAÇÃO DO ASSUNTO -/- 1. Defina e diferencie os processos de desenvolvimento embrionário precoce, alonga- mento e gastrulação. -/- 2. O que é implantação? Caracterize as fases do processo de implantação. -/- 3. Qual a importância do acúmulo de líquido no interior do blastocele? Qual a importân- cia da eclosão do blastocisto? -/- 4. Caracterize os três tipos de implantação e, depois, explique e diferencie os meios de implantação nas fêmeas domésticas. -/- 5. 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)

Is integrative biology a good idea, or even possible? There has been much interest lately in the unifica- tion of biology and the integration of traditionally separate disciplines such as molecular and develop- mental biology on one hand, and ecology and evolutionary biology on the other. In this paper I ask if and under what circumstances such integration of efforts actually makes sense. I develop by example an analogy with Aristotle’s famous four “causes” that one can investigate concerning any (...) object or phenomenon: material (what something is made of), formal (what distinguishes that particular object from others), efficient (how was the object made) and final (why was the object made). The example is provided by ongoing research on different aspects of flowering time in the model system Arabidop- sis, a small weed belonging to the mustard family. I show that understanding how flowering time is controlled is an epistemologically different sort of question from why and how it evolved, and that the two research agendas can be pursued largely independently of each other. Toward the end, I propose that the real goal of integrative biology is to understand the boundary layers between levels of biologi- cal analysis, something to which modern philosophy of science can contribute significantly. (shrink)

The human attempts to access, measure and organize physical phenomena have led to a manifold construction of mathematical and physical spaces. We will survey the evolution of geometries from Euclid to the Algebraic Geometry of the 20th century. The role of Persian/Arabic Algebra in this transition and its Western symbolic development is emphasized. In this relation, we will also discuss changes in the ontological attitudes toward mathematics and its applications. Historically, the encounter of geometric and algebraic perspectives enriched the (...) mathematical practices and their foundations. Yet, the collapse of Euclidean certitudes, of over 2300 years, and the crisis in the mathematical analysis of the 19th century, led to the exclusion of “geometric judgments” from the foundations of Mathematics. After the success and the limits of the logico-formal analysis, it is necessary to broaden our foundational tools and re-examine the interactions with natural sciences. In particular, the way the geometric and algebraic approaches organize knowledge is analyzed as a cross-disciplinary and cross-cultural issue and will be examined in Mathematical Physics and Biology. We finally discuss how the current notions of mathematical (phase) “space” should be revisited for the purposes of life sciences. (shrink)

Griffiths and Stotz’s Genetics and Philosophy: An Introduction offers a very good overview of scientific and philosophical issues raised by present-day genetics. Examining, in particular, the questions of how a “gene” should be defined and what a gene does from a causal point of view, the authors explore the different domains of the life sciences in which genetics has come to play a decisive role, from Mendelian genetics to molecular genetics, behavioural genetics, and evolution. In this review, I (...) highlight what I consider as the two main theses of the book, namely: genes are better conceived as tools; genes become causes only in a context. I situate these two theses in the wider perspective of developmental systems theory. This leads me to emphasize that Griffiths and Stotz reflect very well an on going process in genetics, which I call the “epigenetization” of genetics, i.e., the growing interest in the complex processes by which gene activation is regulated. I then make a factual objection, which is that Griffiths and Stotz have almost entirely neglected the perspective of ecological developmental biology, and more precisely recent work on developmental symbioses, and I suggest that this omission is unfortunate in so far as an examination of developmental symbioses would have considerably strengthened Griffiths and Stotz’s own conclusions. (shrink)

The term “Complex Systems Biology” was introduced a few years ago [Kaneko, 2006] and, although not yet of widespread use, it seems particularly well suited to indicate an approach to biology which is well rooted in complex systems science. Although broad generalizations are always dangerous, it is safe to state that mainstream biology has been largely dominated by a gene-centric view in the last decades, due to the success of molecular biology. So the one gene - one trait approch, (...) which has often proved to be effective, has been extended to cover even complex traits. This simplifying view has been appropriately criticized, and the movement called systems biology has taken off. Systems biology [Noble, 2006] emphasizes the presence of several feedback loops in biological systems, which severely limit the range of validity of explanations based upon linear causal chains (e.g. gene → behaviour). Mathematical modelling is one the favourite tools of systems biologists to analyze the possible effects of competing negative and positive feedback loops which can be observed at several levels (from molecules to organelles, cells, tissues, organs, organisms, ecosystems). Systems biology is by now a well-established field, as it can be inferred by the rapid growth in number of conferences and journals devoted to it, as well as by the existence of several grants and funded projects.Systems biology is mainly focused upon the description of specific biological items, like for example specific organisms, or specific organs in a class of animals, or specific genetic-metabolic circuits. It therefore leaves open the issue of the search for general principles of biological organization, which apply to all living beings or to at least to broad classes. We know indeed that there are some principles of this kind, biological evolution being the most famous one. The theory of cellular organization also qualifies as a general principle. But the main focus of biological research has been that of studying specific cases, with some reluctance to accept (and perhaps a limited interest for) broad generalizations. This may however change, and this is indeed the challenge of complex systems biology: looking for general principles in biological systems, in the spirit of complex systems science which searches for similar features and behaviours in various kinds of systems. The hope to find such general principles appears well founded, and I will show in Section 2 that there are indeed data which provide support to this claim. Besides data, there are also general ideas and models concerning the way in which biological systems work. The strategy, in this case, is that of introducing simplified models of biological organisms or processes, and to look for their generic properties: this term, borrowed from statistical physics, is used for those properties which are shared by a wide class of systems. In order to model these properties, the most effective approach has been so far that of using ensembles of systems, where each member can be different from another one, and to look for those properties which are widespread. This approach was introduced many years ago [Kauffman, 1971] in modelling gene regulatory networks. At that time one had very few information about the way in which the expression of a given gene affects that of other genes, apart from the fact that this influence is real and can be studied in few selected cases (like e.g. the lactose metabolism in E. coli). Today, after many years of triumphs of molecular biology, much more has been discovered, however the possibility of describing a complete map of gene-gene interactions in a moderately complex organism is still out of reach. Therefore the goal of fully describing a network of interacting genes in a real organism could not be (and still cannot be) achieved. But a different approach has proven very fruitful, that of asking what are the typical properties of such a set of interacting genes. Making some plausible hypotheses and introducing some simplifying assumptions, Kauffman was able to address some important problems. In particular, he drew attention to the fact that a dynamical system of interacting genes displays selforganizing properties which explain some key aspects of life, most notably the existence of a limited number of cellular types in every multicellular organism (these numbers are of the order of a few hundreds, while the number of theoretically possible types, absent interactions, would be much much larger than the number of protons in the universe). In section 3 I will describe the ensemble based approach in the context of gene regulatory networks, and I will show that it can describe some important experimental data. Finally, in section 4 I will discuss some methodological aspects. (shrink)

Never was dogmatic reductionism helpful in conceiving the phenomenon of life. The post-genomic era has made it clear that genes alone cannot explain the functioning of whole organisms. Already each cell represents a unique, non-recurring individual. Recent progress in developmental biology has conveyed new perspectives both on the makings of individual organisms (ontogeny), as on evolutionary change (Evo-Devo). The genome (the entirety of all genes) of an animal remains constant from fertilization onwards in each cell. The realization of genes requires (...) molecular environments, in particular pertinent to the cytoplasm of the unfertilized egg. Individuality of an organism therefore is not only determined by its genome, but is shaped through developmental processes (it needs time!). Organisms can only exist through mutual interplays with their respective (molecular and cellular) environments at all levels of organization. Thus, life can be conceived of as endless networks of communication, e.g. as a mutual continuum, connecting all individuals, all species and all generations within their given environments. Evolutionarily, nature does not select fitting genes, but rather viable traits. The presented concepts render it unlikely that it was genes that founded our living world, but rather that distinct environments shaped “genes” (of whatever chemical nature) which proved to be “life-suitable”. (shrink)

Natural systems are categorized according to their structural and dynamical similarities. A two-dimensional schema is proposed as a kind of "periodic table" of natural systems. Six of eight levels in this schema serve as sources of analogies, two levels are the targets of analogical reasoning. The source domains are the atomic, molecular, macromolecular, micro-organismic, organismic and socio-cultural systems and processes. One of the target domains discussed in the article is the level of subatomic particles. The other target domain, not (...) discussed in the article, could be the level of future supra-national systems. Three types of processes are identified occurring in natural systems: conservation, modification and transformation. Modifications allow a reversible adaptation of a system to environmental influences by changing its internal state. The entirety of all internal states defines the "state space" of the system. Similarities of state spaces between systems of six levels are investigated. A dual-space picture of natural systems can be defined on six levels, the source domains of analogical reasoning. On the subatomic level, space-time is identified as part of the state space of subatomic particles. However, space-time needs a completion by an additional state space in order to obtain a dual-space picture also for subatomic particles. A "basic space" is proposed, so that subatomic particles exist simultaneously in space-time and in basic space. The basic space is assumed to be a circular space, where masses and charges circulate force-free and generate the spin and the magnetic moment of particles. A presumption about the existence of hypothetical matter not detectable in space-time is derived. Such primitive forms of matter could exist in basic space only and represent the dark matter. (shrink)