Livro CI 2008

Comissão Organizadora:
Ananda Brito de Assis
Andreas Betz
Breno Teixeira Santos
Fernanda Beatriz Monteiro Paes Gouvêa
Meirielen Caroline da Silva
Renata Brandt Nunes
Tatiana Hideko Kawamoto
Prof. Coordenador:
Prof. Dr. José Eduardo P. W. Bicudo

Livro do V Curso de Inverno:
Tópicos em Fisiologia
Comparativa
Departamento de Fisiologia
Instituto de Biociências
Universidade de São Paulo
Julho de 2008

Prefácio
Recuperar, reunir e trazer à reflexão os mais variados temas abrangidos
pela ciência da fisiologia, foi o estímulo-chave que motivou os alunos de
pós-graduação do ano de 2008 - Universidade de São Paulo / Instituto de
Biociências / Departamento de Fisiologia – a empenharem-se no preparo
deste livro, facilitando o acesso e disseminação de informações desta
fantástica área do conhecimento científico. O livro também serviu de apoio
didático aos participantes do V Curso de Inverno: Tópicos em Fisiologia
Comparativa, realizado entre os dias 7 e 25 de julho do ano citado. Sete
são os capítulos que permitem ao leitor explorar desde mecanismos
fisiológicos básicos até as mais atuais discussões acerca das sub-áreas
discutidas.
Desejamos uma boa leitura a todos.
Comissão Organizadora
V Curso de Inverno: Tópicos em Fisiologia Comparativa

Conteúdos
1. Fisiologia da Audição................................................................3
2. Fisiologia da Conservação......................................................27
3. Termodinâmica e Complexidade em Sistemas Biológicos......93
4. Cronobiologia.........................................................................125
5. Neurofisiopatologia................................................................195
6. Fisiologia do Comportamento................................................263
7. Evolução dos Sistemas Fisiológicos......................................307

Fisiologia da Audição
Capítulo 1
Fisiologia da Audição
Autores:
Felipe Viegas Rodrigues
Rodrigo Collino
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V Curso de Inverno

Fisiologia da Audição
Fisiologia da Audição
Felipe Viegas Rodrigues & Rodrigo Collino
Laboratório de Neurociências e Comportamento
fvrodrigues@usp.br
A audição tem um peso muito importante no nosso dia-a-dia, nos permitindo interagir
com o mundo ao nosso redor e com outros seres humanos. Embora alguns a considerem
menos importante que a visão, seguramente a audição trabalha complementando nosso
sentido visual, sendo também fundamental.
Um pouco de Física...
Compressões e descompressões: ondas!
Tudo o que ouvimos é composto por ondas sonoras. Tecnicamente falando, sons são
ondas mecânicas longitudinais. Isso significa que eles são causados pela vibração de
partículas do meio por onde se propagam; há uma transferência de energia no meio, que se
propaga por meio da compressão e rarefação de suas moléculas, longitudinalmente (Figura
1). Portanto, não há som no vácuo. Ondas sonoras podem ser representadas como na parte
de baixo da Figura 1, com picos representando compressão das moléculas, e vales
representando a rarefação das moléculas (no caso da Figura 1 estão representadas
moléculas de ar). A velocidade de propagação dessas ondas no ar é de cerca de 340 m/s.
Em meios mais densos, como a água ou mesmo sólidos, a velocidade é maior; 5.100 m/s no
ferro, 1.500 m/s na água do mar. O comprimento de onda (representado por λ - ver Figura
1) mantém uma relação inversa com a freqüência da onda.
A freqüência de um som é o número de comprimentos de onda ocorridos em um
segundo, usualmente expressa em Hertz (Hz). Biologicamente este conceito tem
fundamental importância. Primeiramente, porque não ouvimos todas as freqüências. O
aparelho auditivo humano está limitado a ouvir freqüências entre 20 Hz e 20.000 Hz. Tal
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V Curso de Inverno
limitação é causada por características implícitas a um órgão do sistema auditivo chamado
cóclea, mais especificamente, por estruturas presentes em uma membrana, chamada
membrana basilar, dentro da cóclea, que não vibram com sons abaixo de 20 Hz ou acima de
20.000 Hz. Trataremos desse assunto com detalhes mais adiante.
Em segundo lugar, porque diferentes freqüências têm diferentes propriedades quanto
à propagação e reflexão. Freqüências de um até cerca de 100 Hz tem pouca reflexão,
passando entre meios, como do ar para a terra diretamente e praticamente sem perda de
energia. Tais freqüências implicam em consideráveis deslocamentos de massas de ar e,
portanto, só podem ser produzidas por animais maiores. Por exemplo, sabe-se hoje que
infra-sons (freqüências abaixo de 20 Hz) são utilizados por Tigres e Elefantes como forma
de comunicação, que, no caso de elefantes, pode ser feita a quilômetros de distância.
No outro extremo, os superagudos, freqüências acima de 10.000 Hz, têm
comportamento extremamente direcional e reflexivo, características que se tornam ainda
mais exacerbados nos ultra-sons, freqüências acima de 20.000 Hz. O melhor exemplo para
tal característica são os morcegos, que tem faixa de audição começando em 10.000 Hz e
indo até cerca de 120.000 Hz. Emitindo sons acima de 50.000 Hz, os morcegos podem
perfeitamente voar no escuro total, conseguindo desviar dos obstáculos presentes em seu
caminho. Eles utilizam-se do que chamamos de sonar: um mecanismo de ecolocalização
baseado na percepção da posição de objetos no espaço pelo geração de um som e
recaptura do mesmo após reflexão nas barreiras do ambiente.
Por último, ressalta- se que os limiares de audição para as diferentes freqüências não
Figura 2 – Limiares de audibilidade e dor (120 dB) para o
ouvido humano em todo o espectro de audição. As curvas
mostram a intensidade sonora necessária para a
estimulação do aparelho auditivo humano de acordo com a
freqüência.
são iguais. A figura 2
mostra como isso se
comporta no homem.
Note que é preciso
pouco mais de zero
dB para ser possível
alguma
s o n o r a
percepção
e m
freqüências em torno
de 2.000 Hz (faixa de
freqüência altamente
relacionada
com
nossa voz); no
entanto, a percepção
s o n o r a
f r e q ü ê n c i a s
d e
t ã o
baixas quanto no
extremo de nossa
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Fisiologia da Audição
audição, cerca de 20 Hz, dá-se somente com pressões sonoras acima de 70 dB. Sons
naturais são usualmente complexos e compostos por mais de um tipo de freqüência,
resultando em gráficos não totalmente regulares, produto da interação de ondas de diversas
amplitudes e freqüências.
A quantidade de energia presente em um som, ou a Intensidade Sonora, é medida
em decibéis (dB). Decibel, assim como porcentagem, é uma escala relativa e não absoluta;
nesse caso, relativa à pressão sonora. É também uma escala logarítmica e visa facilitar
nosso tratamento com a pressão sonora, já que a mesma pode variar de 10 -12 até 1 W/m²,
sendo esses, respectivamente, os limiares de audibilidade e de dor para o ouvido humano, a
freqüências de cerca de 2.000 Hz. Convertendo W/m² em decibéis, fazemos com que o
limiar de audibilidade seja apresentado como zero decibel e o limite de dor como 120 dB,
números muito mais palpáveis para qualquer pessoa. Entretanto, alguns truques se
escondem debaixo dessa escala logarítmica. O principal deles, é que a pressão sonora
dobra a cada três decibéis a mais; em outras palavras, precisamos dobrar o trabalho
realizado para conseguir elevar em três dB a intensidade sonora gerada.
Sons naturais e sons musicais...
Não especificamos ainda, propositadamente, o que faz música e o que faz barulho.
Há diferenças. A freqüência de um som, sozinha, não nos diz que tipo de som é aquele. Há
sons que entendemos como sendo ruídos, há sons que entendemos como vozes e há sons
que classificamos como musicais. Em verdade, qualquer proposta de classificação poderá
ser controversa. Há quem ouça música em latas. E há quem diga que um determinado
músico só faz ruídos. Qual é o ponto de equilíbrio então?
Talvez um fator crucial para tal diferenciação seja o ritmo. Afinal, uma lata batendo
sempre terá som de lata. Mas nem todo som de lata possuirá ritmo. Esse é um dos fatores
cruciais em música. Cabe nesse momento falarmos também sobre periodicidade. Os sons
utilizados em música são sons que chamamos de periódicos – sons que mantém suas
características ao longo do tempo. A melhor forma de pensarmos em um som periódico é
pensando em uma corda de um violão vibrando. Tal vibração se mantém constante e em
uma mesma freqüência ao longo do tempo. Ruídos, por outro lado, são caracterizados por
sons não periódicos, que mudam em freqüência e amplitude constantemente, não
resultando em um gráfico perfeito como o da figura 1.
Entretanto, como já vimos em física, nenhum movimento ondulatório é composto
apenas por sua freqüência fundamental, mas por vibrações secundárias, terciárias e outras.
Isso faz com que, de fato, nenhum instrumento provoque uma onda como na figura 1, mas
as ondas serão o resultado da composição de todas essas vibrações, ainda assim
periódicas e com um tom fundamental. É exatamente por esse fator que conseguimos
distinguir uma nota Lá vinda de um piano, de um trompete ou mesmo da voz. Todas elas
terão como freqüência fundamental 440 Hz (considerando-se notas da mesma oitava
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V Curso de Inverno
musical), mas é devido às diferentes freqüências de outras ordens (2ª, 3ª, 4ª...) que
conseguimos distinguir as diferentes fontes. Esse é o conceito de timbre. Feitas estas
considerações, podemos continuar nossa discussão partindo para como funciona nossa
audição propriamente e como nosso cérebro interpreta vozes, ruídos e músicas.
Enfim... Orelhas! 1
Você já transduziu hoje?
O homem parece excelente
ao ser capaz construir autofalantes
e microfones,
tecnicamente conhecidos
como transdutores. Mas ele
nada mais fez que copiar
uma tecnologia presente na
n a t u r e z a . N o s s o s
Tímpanos! Um transdutor é
um dispositivo capaz de
receber um tipo de energia e
transformá-la em outra. É
exatamente para isso que
nossas orelhas estão aí.
Elas captam a energia
sonora proveniente do ambiente e a transformam em energia elétrica - impulsos nervosos
que atingirão nosso cérebro para processamento e interpretação daquele estímulo. Mas
enfim, exatamente, como ouvimos? Na figura 3, vemos os componentes envolvidos com
essa transdução.
Para fins didáticos, dividimos nossa orelha em três partes: orelha externa, orelha
média e orelha interna. A energia sonora no ambiente chega até ao Tímpano pelo canal
auditivo, parte da orelha externa. Essa energia, com todas as suas características de
freqüência e intensidade, é transmitida pelo tímpano aos ossículos da orelha média
(martelo, bigorna e estribo), que farão a transmissão para a janela oval na cóclea,
integrantes da orelha interna. O processo de passagem pela orelha média não é, em
absoluto, puro. A interação existente entre os três ossículos causa uma amplificação de até
30x na energia sonora que recebemos. Isso é um ganho de aproximadamente 15 dB em
intensidade – uma pressão sonora cinco vezes maior.
1 Nota: Pela nomina anatomica atual, orelhas, e não ouvidos, é o termo correto para descrever as
estruturas responsáveis pela audição. A estrutura comumente conhecida por orelha tem por nome
correto Pavilhão auditivo.
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Fisiologia da Audição
A cóclea é a estrutura
onde toda a mágica da
audição e transdução
acontece. A cóclea,
como vista nas Figuras
3 e 4, é uma estrutura
tubular enrolada sobre
si mesmo, com três
câmaras internas.
As câmaras são
chamadas escalas e
são preenchidas por
l í q u i d o s d e
c o m p o s i ç õ e s
e s p e c í f i c a s . U m a
representação esquemática do tubo da cóclea pode ser vista na Figura 5.
Quando um som atinge o tímpano, causará uma vibração que será transferida aos
ossículos e, então, à Janela Oval da cóclea. A vibração da janela oval é então transferida
para os líquidos internos da cóclea e para as escalas vestibular e média, mais
especificamente (a Membrana de
Reissner é fina e desprezível para
separar as vibrações entre elas.
Sua função é unicamente de
garantir composições iônicas
diferentes entre as duas câmaras.)
e, então, à membrana basilar.
Como a cóclea é um tubo
inextensível, a Janela Redonda
funciona como uma válvula de
escape, permitindo a movimentação dos líquidos internos e vibração nas membranas.
Como já dito, a membrana basilar é a responsável pela nossa amplitude de audição.
Estruturas fixas a ela, chamadas Fibras Basilares (não representadas nas figuras) tem
tamanhos progressivamente variáveis ao longo da cóclea. Essas estruturas fazem com que
diferentes regiões da membrana (e da cóclea) sejam mais sensíveis a uma ou outra
freqüência. Pela Figura 6, podemos notar que sons agudos, altas freqüências, são melhores
percebidos no início da cóclea. Sons médios, no meio dela. E sons graves, baixas
freqüências, no final da cóclea, próximo à região chamada de Helicotrema (Figura 5). Tais
constatações não significam que um som fará com que só aquela região vibre. Pelo
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V Curso de Inverno
contrário, todo som causará com que
a membrana basilar como um todo
vibre. Mas essa vibração será muito
pequena fora do ponto ótimo de
vibração, não chegando nem mesmo
a causar potenciais de ação. Vale
lembrar também, como já dito, que
sons puros são raros na natureza e
um mesmo som, portanto, causará a
vibração de partes distintas da
membrana basilar.
A estrutura chamada de Órgão de
Corti é a responsável pela
transdução de fato de energia sonora
em impulsos nervosos. É nele que se
encontram células receptivas
específicas que iniciam a despolarização que chegará ao cérebro, conduzida inicialmente
pelo nervo coclear. Detalhes de sua organização podem ser vistos na Figura 7.
A Membrana Tectorial é uma estrutura rígida e fixa. A vibração da membrana basilar
acaba causando o deslocamento de todo o Órgão de Corti; os cílios das células ciliadas, no
entanto, acabam por não se deslocar por estarem imersos e fixos na membrana tectorial,
dando a sensação de movimento
em relação à célula e causando a
despolarização. O mecanismo
para tal é mecânico, por abertura
de canais de Cálcio devido ao
estiramento da parede dos cílios.
Uma vez causados potenciais que
sejam suficientes para despolarizar
a célula receptiva, a mensagem
será transmitida aos neurônios
seguintes, integrantes do nervo
coclear, e seguirá em direção ao
córtex.
Orelhas não são nada sem um encéfalo...
Primeiro, uma parada rápida
Muito bem. Estamos entendidos quanto à nossas orelhas. Sem elas, nosso encéfalo
estaria isolado do que acontece no mundo sonoro exterior. Mas tendo feita a transdução de
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Fisiologia da Audição
energia sonora em elétrica (impulsos nervosos) – agora é a vez dele.
As fibras nervosas que saem da cóclea, não atingem diretamente o cérebro, mas
algumas sinapses acontecem no trajeto. Veja na Figura 8. Resumidamente, o primeiro ponto
de sinapse é logo que as fibras entram na
medula espinhal, em sua porção terminal
superior. Daí, as fibras secundárias dirigemse
ao núcleo olivar superior, onde algumas
fibras fazem nova sinapse. Subindo pela
ponte, algumas poucas fibras param no
Núcleo do Lemnisco Lateral e, enfim, a
maioria delas chega ao colículo inferior, no
mesencéfalo, onde todas (ou quase todas)
fazem sinapse e, por último, chegam ao
Núcleo Geniculado Medial (NGM), onde todas
sofrem nova sinapse. Só então, os potenciais
de ação que codificam estímulos sonoros
chegam ao cérebro, na região cha mada
córtex auditivo (Figura 9).
O córtex auditivo
Como já sabemos, nosso encéfalo é
divido em lobos, com suas subáreas, e em
giros e sulcos. Nosso foco de interesse nesse
momento concentra-se na região superior do
Lobo Temporal (Figura 9). É nessa região
que se encontra nosso Córtex Auditivo
Primário. Todas as fibras que saem do NGM
chegam até essa região do córtex. Dela,
então, os estímulos partem para o córtex
auditivo de associação, também chamado de
Córtex Auditivo Secundário, que também recebe algumas fibras intra-talâmicas, de
regiões vizinhas ao NGM. Nesse momento, tais informações serão processadas e
integradas com outras regiões do cérebro. No entanto, nos deparamos com alguns
problemas no meio de todo esse caminho.
Em primeiro lugar, precisamos novamente pensar em como transmitir diferentes
freqüências ao cérebro. Falamos que existem diferentes regiões da cóclea para diferentes
freqüências sonoras captadas no ambiente. Isso é chamado “Princípio de Localização”.
Tais informações são fielmente transmitidas ao córtex - uma grande quantidade de fibras
nervosas sai da cóclea, cada uma levando a informação de uma dessas regiões. No córtex
auditivo primário, diferentes grupos de neurônios serão ativados para essas diferentes
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V Curso de Inverno
freqüências. Tal estruturação da Cóclea e
do Sistema Nervoso Central resolve
nosso primeiro problema. Em segundo
lugar, precisamos entender como o
cérebro entende as chamadas oitavas
musicais. Tais freqüências, ainda que
diferentes em valor de freqüência (uma
grave, outra aguda), são percebidas
como mesma nota musical pelo cérebro.
Tal funcionamento é possibilitado por
grupos de neurônios que são ativados
pela estimulação de diferentes
freqüências, porém, de mesmo tom
fundamental (as oitavas musicais).
Portanto, um Lá grave ou agudo,
estimulará um mesmo grupo de
neurônios. Esses dois fatores em
conjunto, nos permitirão ter a percepção
de timbre.
Feitas tais estimulações no córtex
auditivo primário, as associações cabíveis serão realizadas no córtex auditivo secundário,
onde regiões específicas lidarão com estímulos sonoros específicos. Podemos então partir
para os assuntos mais complexos e que nos interessam: fala e música. Cabe adiantar a
primeira distinção encontrada entre essas duas propriedades do nosso cérebro, que é
fundamental e mais global. Na grande maioria das pessoas, fala tem suas funções
concentradas no hemisfério esquerdo do nosso cérebro, enquanto que a música está
intimamente associada ao hemisfério direito. Tal constatação fica clara quando olhamos
para um caso de dupla-dissociação entre linguagem e música apontado pela pesquisadora
Isabelle Peretz, pelo relato de dois casos clínicos. O primeiro deles de um compositor que
sofreu uma lesão no hemisfério cerebral esquerdo aos 57 anos, perdendo, então, a
capacidade de falar e compreender a fala, mas que continuou a compor até sua morte
quatro anos mais tarde – um caso de afasia sem amusia. O segundo, de uma mulher que
teve lesões bilaterais no córtex auditivo e no córtex frontal direito como conseqüência de
cirurgias para tratar de aneurismas; ela perdeu a capacidade de aprender novas músicas,
cantarolar uma melodia qualquer e até mesmo de se lembrar das músicas que conhecia.
Porém, sua fala, memória (excetuando-se aquela para música) e inteligência estavam
intactas – um caso de amusia sem afasia.
Revisado por André Frazão Helene e Gilberto Xavier
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Fisiologia da Audição
Neurofisiologia da Música
Felipe Viegas Rodrigues
Laboratório de Neurociências e Comportamento
fvrodrigues@usp.br
Neurofisiologicamente, ouvimos notas e oitavas musicais porque a estruturação do
nosso sistema auditivo é organizado de forma propícia a tal. A descoberta dos neurônios
que disparam estimulados por tons ou oitavas musicais não é uma coincidência. É uma
mostra de que nós fizemos a classificação de notas musicais de acordo com aquilo que
nosso cérebro está apto a ouvir. E assim cantamos e afinamos nossos instrumentos.
Afinal... Pra que existe música? Há vantagens evolutivas nela? O autor Steven
Pinker nos ajuda nessa busca. Ele estabelece algumas razões pelas quais a música possa
existir. E ousa dizer: “Eu suspeito que a música seja um ‘bolo de queijo’ auditivo, uma
confecção rara artesanalmente construída para agradar os pontos sensíveis de pelo menos
seis de nossas faculdades mentais”.
O primeiro aspecto levantado por Pinker é a própria fala. O autor defende que a letra
presente nas músicas (e também os paralelos que ainda serão apresentados) faz com que
ela ative circuitos neurais “emprestados” da fala e, em particular, da prosódia.
O segundo aspecto refere-se ao circuito neural ativado pela música, relacionado à
análise auditiva do ambiente. Pinker compara a audição à visão, dizendo que assim como
recebemos uma série de estímulos luminosos que precisam ser diferenciados e separados
(uma pessoa de um fundo de árvores, por exemplo), precisamos distinguir os diversos
estímulos sonoros que nos são apresentados, por exemplo, separar um solista de uma
orquestra, uma voz em um ambiente cheio de ruídos, uma vocalização animal em meio a
uma floresta cheia de ruídos. O autor defende que nosso ouvido detecta cada freqüência e
envia cada uma delas ao sistema nervoso, que as associa, percebendo-as como um tom
complexo. “Presumivelmente o cérebro as associa para construir nossa percepção da
realidade do som”. Isto é, a interpretação em tons complexos provavelmente se dá pelo fato
de que sons naturais não ocorrem em freqüências puras, mas como tons complexos; logo, o
sistema nervoso associa novamente as diferentes freqüências que constituem um som
oriundo de um mesmo ponto no espaço e ao mesmo tempo porque são, em verdade, uma
mesma fonte sonora. Nesse sentido, “melodias são agradáveis ao ouvido pela mesma razão
que linhas simétricas, regulares, paralelas ou repetitivas são agradáveis aos olhos”. O
sistema nervoso, então, se utiliza desse circuito neural para fazer a interpretação das
melodias e harmonias presentes na música.
O terceiro aspecto defendido por Pinker é a emoção trazida pela música. Baseandose
numa sugestão de Darwin de que a música surgiu no homem devido às chamadas de
acasalamento de nossos ancestrais, o autor defende que uma série de “chamadas
emocionais” (como murmurar, chorar, rir, resmungar, gritar) tem um apelo acústico próprio;
13

V Curso de Inverno
“é provável que melodias evoquem fortes emoções porque sua estrutura assemelha-se a
chamadas emocionais de nossa espécie”. A música, então, traria diversos sentimentos à
tona semelhantemente a essas expressões emocionais.
Outro aspecto apontado por Pinker é a seleção de habitat. Fazendo mais uma
comparação entre o campo visual e auditivo, o autor ressalta que prestamos atenção a uma
série de características visuais que sinalizam segurança, insegurança ou mudança de
habitat, como vistas distantes, paisagens verdejantes, nuvens (que trazem chuva) ou pôrdo-sol.
Ele então escreve:
“Talvez nós também prestemos atenção a características do mundo auditivo
que sinalizem segurança, insegurança ou mudança de habitat. Trovões, ventos,
água correndo, pássaros cantando, rosnados, passos, corações e galhos
batendo, todos têm efeitos emocionais, presumivelmente porque eles revelam
eventos dignos de atenção no mundo”.
A música também interferiria com tais circuitos neurais, de tal forma que ela altera
nossas emoções e nossa noção de segurança ou insegurança.
O quinto aspecto ressaltado por Pinker é o controle motor. O ritmo é um componente
universal da música e até mesmo único em algumas culturas. Tal ritmicidade que nos faz
dançar, bater palmas, balançar, e acompanhar a música, certamente estimula nosso sistema
motor.
O último aspecto defendido pelo autor é um “algo a mais” sem explicação conhecida
e que ele coloca como sendo, possivelmente, desde um acidente do funcionamento
conjunto de diversos circuitos neurais até uma ressonância entre disparos neuronais e
ondas sonoras. Seja como for, a música tem estreitas e importantes relações com o
funcionamento de diversos circuitos neurais.
Origens da musicalidade
Se de fato a música tem envolvimento com tantos circuitos neurais, essa propriedade
não pode ser uma exclusividade apenas da espécie humana, mas deve ser produto do
cérebro de outros animais também. A capacidade para interpretar música, de uma forma
diferente de outros sons quaisquer (também chamados sons não musicais) ou, até mesmo,
produzi-la, deve estar presente pelo menos em outras espécies de mamíferos.
Entretanto o primeiro grupo lembrado quando se fala de música em animais são os
pássaros. Desde o século retrasado (Clark, 1879) tal grupo é investigado. As razões são
óbvias, percebidas por qualquer pessoa que tenha entrado em contato com a natureza ao
menos uma vez na vida (e escutado o som produzido pelos pássaros). Estudos recentes
sobre o assunto (Baptista e Keister, 2000) apontam semelhanças entre a melodia do canto
dos pássaros e as melodias produzidas pelo homem. Segundo os autores, os pássaros
“freqüentemente usam as mesmas variações rítmicas, relações tonais, permutações e
combinações de notas que os compositores humanos”. Detalhes presentes nas músicas
produzidas pelo homem são também notadas nas melodias usadas pelos pássaros, como
inversões de intervalo, relações harmônicas simples e retenção de uma determinada
14

Fisiologia da Audição
melodia com a troca de registro (tonalidade) usado. O caso mais atípico e impressionante,
talvez, seja da espécie Probosciger aterrimus, a Cacatua-Negra, uma espécie de papagaio
do extremo norte da Austrália e Nova Guiné, que molda gravetos para que se assemelhem a
baquetas (de bateria) e batucam em diversos troncos até que achem um com ressonância
que agradável e, então, o utilizam para produzir sons como parte de seu ritual de
acasalamento.
Mas voltando aos mamíferos, Wright e colegas (2000), trabalhando com macacosrhesus,
mostraram que os mesmos são capazes de reconhecer como semelhantes melodias
idênticas tocadas em oitavas diferentes, mas não em tons diferentes. Ainda, tal
reconhecimento positivo aconteceu para melodias tonais, mas não para melodias atonais.
Estes resultados são consistentes com o achado de Bendor e Wang (2005) de que sagüiscomuns
(e provavelmente outras espécies de primatas também, incluindo nós humanos)
possuem no córtex auditivo neurônios capazes de perceber tons. Tais neurônios disparam
para uma determinada freqüência e também para seus múltiplos, caracterizando as oitavas
tonais (ou musicais). O experimento de Wright e colegas, porém, pode ter sido afetado pela
exposição prévia dos animais a música. Freqüentemente tais animais ficam em ambientes
com televisões ligadas para os mesmos (Hauser e McDermott, 2000), portanto, expostos a
música e melodias diversas.
É provável que o caso mais conhecido e consistente de musicalidade nos mamíferos
esteja nas baleias-jubarte. Há décadas que se conhece o “canto” dessas baleias e estudos
recentes (Payne, 2000) também apontam para semelhanças estreitas com as regras de
construção musical utilizadas pelo homem. A despeito de poderem produzir sons sem
ritmicidade ou tonalidade, as baleias optam por produzir sons rítmicos, de forma semelhante
a composições humanas e com tonalidade definida. Mais do que isso:
- O canto produzido por elas é composto de fraseados de tamanho semelhante às
frases na música composta por homens e, assim como nós, elas exploram diversos
fraseados dentro de um mesmo tema antes de partir para um tema diferente. Da mesma
forma, composições que exploram um tema, partem para uma seção mais elaborada e,
depois, retornam ao tema inicial (semelhante ao nosso formato de composição: estrofe –
refrão – estrofe) são freqüentes;
- O tamanho total de um canto (uma música?) assemelha-se ao tamanho médio de
músicas produzidas pelo homem, possivelmente pelo fato de que o tamanho de seu córtex
permite uma capacidade atencional semelhante à nossa;
- Ainda que elas tenham uma extensão tonal que alcança sete oitavas musicais, as
baleias preferem compor músicas com intervalo entre notas também semelhantes às nossas
composições (que raramente explora toda essa extensão em uma única composição);
- Elementos percussivos são incorporados à música e intercalados com tons puros
numa taxa semelhante àquela encontrada em composições humanas;
- Algumas repetições encontradas são semelhantes a rimas, indicando que as
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V Curso de Inverno
baleias possam usar desse artefato tanto quanto os humanos usam: um recurso mnemônico
para lembrar-se de composições complexas.
Tantos elementos comuns entre os sons musicais produzidos por essas diferentes
espécies apontam para o fato de que a música não possa ser apenas um produto cultural
humano. Nas palavras de Gray ET AL, 2008:
“O fato de que a música das baleias e dos homens tem tanto em comum,
mesmo com nossos caminhos evolucionários não tendo se cruzado em 60
milhões de anos, sugere que a música deve ‘predar’ os humanos, ao invés de
sermos os inventores dela. Nós somos adeptos tardios do ambiente musical.”
As raízes da musicalidade devem residir em outros fatores. Talvez uma
conseqüência natural da interação entre as freqüências sonoras, que causa sons mais ou
menos desagradáveis ao encéfalo dependendo das freqüências envolvidas. Sons musicais
chamados de dissonantes causam um fenômeno chamado batimento, encarado como
desagradável pela grande maioria das pessoas e até mesmo utilizado pelos músicos para
afinar seus instrumentos musicais (cordas diferentes de um instrumento que deveriam
produzir uma mesma nota em oitavas diferentes, portanto desafinadas, provocam batimento.
A ausência do fenômeno indica a correta afinação). Ainda, sons dissonantes apresentados a
bebês de apenas quatro meses causam afastamento da fonte sonora, expressões facias
fechadas e até choro, enquanto que sons consonantes os fazem virar-se para a fonte
sonora e freqüentemente sorrirem (Trainor e Heinmiller, 1998).
É então plausível que a própria física da interação de freqüências induza a nossa
interpretação daquilo que consideramos agradável ou desagradável e permita a produção
ou reconhecimento de sons musicais mesmo em outras espécies que não homem. Há uma
última distinção a ser considerada (geralmente colocada em tom de crítica pelos
pesquisadores que não admitem musicalidade fora da espécie humana). O canto de
pássaros e baleias é essencialmente produzido por machos, sendo parte do ritual de
acasalamento. Produção ou apreciação de música por puro prazer, isso sim, parece ser uma
exclusividade da espécie humana.
Música e Linguagem Humana
Sintaxe
Tratando agora das sobreposições existentes entre música e linguagem, vamos nos
surpreender com o que antes tratávamos como sendo dois aspectos completamente
diferentes. Um primeiro ponto que vale a pena ser comentado, é a sobreposição existente
no processamento da sintaxe. Sim, música possui também sintaxe e os circuitos neurais que
fazem o processamento dessa sintaxe musical seriam os mesmos utilizados para a fala. As
áreas envolvidas seriam regiões do lobo frontal anterior (Patel, 2003).
Semântica
Koelsch e colaboradores (2004) mostraram que “a música pode não apenas
influenciar o processamento de palavras, mas ela pode também pré-ativar representações
16

Fisiologia da Audição
de conceitos, sejam eles abstratos ou concretos, independente do conteúdo emocional
desses conceitos”; em outras palavras, assim como a linguagem, a música pode facilitar a
compreensão de significados (em palavras e, provavelmente, também contextos). Na
pesquisa realizada pelos autores, palavras aleatórias foram apresentadas aos indivíduos
após eles terem ouvido ou uma frase ou um trecho musical. Resultados obtidos com testes
específicos de eletroencefalografia mostraram dados semelhantes para a ativação
resultante causada pela música ou pelas frases.
Ritmicidade
Há ainda mais: paralelos entre a rítmica da linguagem e a da música (Patel, 2003b).
A análise do ritmo da linguagem e da música em subcomponentes e a comparação entre os
domínios revelam que o agrupamento rítmico é semelhante na linguagem e na música, mas
não sua estrutura periódica (que é mais organizada na música). Novas evidências ainda
sugerem que a rítmica de linguagem de uma cultura deixa impressões na sua rítmica
musical. Isto é, diferenças na rítmica da linguagem refletem-se na rítmica musical nas
diferentes culturas. Novos estudos transculturais permitirão afirmar se essas evidências se
confirmam. Esses achados reforçam a noção de que a música possui tanto sintaxe quanto
semântica e seja, possivelmente, como a linguagem, relativamente inerente ao homem e
não um simples produto da cultura.
Timbre
Trabalhos recentes relacionados a timbre mostram que o processamento dessa
propriedade do som envolve redes neurais próprias, incluindo regiões anteriores e
posteriores do giro temporal superior, e, possivelmente, áreas frontais também (o que
parece bastante claro, dada a necessidade de memória operacional – ver no tópico seguinte
explicação – à manutenção de informações sobre qualquer som percebido). Uma revisão
sobre esses trabalhos parece apontar que o timbre musical é uma propriedade
multidimensional do som que nos permite distinguir instrumentos musicais (e certamente
também vozes).
A evolução da discriminação de timbres certamente não é produto da necessidade
de reconhecimento de diferentes instrumentos musicais. O reconhecimento de tonalidades
(característica gerada por vibrações sonoras periódicas) é importante para reconhecer
diferentes vocalizações de animais na natureza; elas seriam uma boa indicação para
distinguir as vocalizações de outros ruídos. As tonalidades e o timbre certamente serviriam
também à identificação de vozes (é sabido, por exemplo, que mesmo bebês recém nascidos
discriminam a voz da mãe de outras vozes). Relativamente à música, a capacidade de
reconhecimento de timbre seria utilizada no reconhecimento de diferentes instrumentos
musicais e as tonalidades no reconhecimento de diferentes notas.
Diante de tais paralelos, torna-se praticamente inegável que a música está presente
no cotidiano humano mais do que apenas por prazer ou questões culturais. A organização
de nosso sistema nervoso e as implicações que as estimulações musicais trazem nos
17

V Curso de Inverno
mostra que música não é um acidente, mas uma propriedade específica de nosso sistema
nervoso central; mais do que isso, uma propriedade que surge em outras espécies
separadas mesmo por milhões de anos, mas que no homem, caminha em estreitas relações
com a linguagem.
Referências Biblográficas
Baptista, L.F. e Keister, R. Why Bird Song Is Sometimes Like Music, BioMusic Symposium, 2000
AAAS Annual Meeting, apud Gray et al - The Music of Nature and the Nature of Music.
Science 2001 Jan 5;291(5501):52-4.
Gray, P.M.; Krause, B.; Atema, J.; Payne, R.; Krumhansl, C. e Baptista, L. - The Music of Nature and
the Nature of Music. Science 2001 Jan 5;291(5501):52-4.
Koelsch, S.; Kasper, E.; Sammler, D.; Schulze, K.; Gunter, T.; Friederici, A.D. – Music, language and
meaning: Brain signatures of semantic processing. Nat Neurosci 2004 Vol. 7, nº 3.
Patel, A.D. – Language, music, syntax and the brain. Nat Neurosci, 2003a 6(7):674-681.
Patel, A.D. – Rhythm in language and music: parallels and differences. Ann NY Acad Sci 2003b 999:
140-143.
Payne, R. Whale Songs: Musicality or Mantra? BioMusic Symposium, AAAS Annual Meeting, 2000.
Samson, S. – Neuropsychological studies of musical timbre. Ann NY Acad Sci 2003 999:144–151
Trainor, L.J. e Heinmiller, B.M. Infants prefer to listen to consonance over dissonance. Inf. Behav. Dev.
1998 21, 77-88 apud Hauser M. D., McDermott J. The evolution of the music faculty: a
comparative perspective. Nat Neurosci. 2003 Jul;6(7):663-8.
Wright, A. A.; Rivera, J. J.; Hulse, S. H.; Shyan, M. e Neiworth, J. J. Music perception and octave
generalization in rhesus monkeys. J Exp Psychol Gen. 2000 Sep;129(3):291-307.
Revisado por André Frazão Helene e Gilberto Xavier
18

Fisiologia da Audição
Neurofisiologia da Linguagem
Rodrigo Collino
Laboratório de Neurociências e Comportamento
rodrigocollino@usp.br
Introdução
Dentro das ciências cognitivas, o estudo da linguagem tem ganhado grande atenção
nas últimas décadas. É uma área que envolve diversos detalhes e grande complexidade,
dado o emprego de técnicas desenvolvidas apenas recentemente (a partir da metade do
séc. XX) em estudos neurocientíficos. Anteriormente a este período, as conclusões de
médicos acerca da neurofisiologia da linguagem eram abstraídas somente através da
análise da casos clínicos, advindos de acidentes que causassem danos a áreas específicas
do cérebro, e que acabavam por desenvolver sequelas de cunho linguístico – na
compreensão da fala, ou na produção de mesma, por exemplo. Retrocedendo mais ainda no
tempo, pensava-se na Grécia Antiga que o controle da linguagem estivesse concentrado
totalmente na língua do indivíduo. Assim, ao encontrar um indivíduo que, provavelmente
devido a um acidende vascular cerebral (AVC), apresentasse dificuldades na dicção, era
comum oferecer-lhe tratamento através de massagens em sua língua, na esperança de
recobrar-lhe a fala. Atualmente, estudiosos da neurociência contam com instrumentos
aguçados de avaliação da atividade cerebral, tais como fMRI, MEG, PET e ERP, a fim de
correlacionar características da linguagem e regiões cerebrais específicas e seus
respectivos padrões de ativação neuronal.
Neste capítulo, vamos explorar algumas das maravilhas da linguagem produzidas
pelo cérebro humano: o que a torna tão particular da espécie humana, sua lateralização e
modularidade cerebral, distúrbios ocasionados pela falha em alguns de seus mecanismos, e
como é possível o cérebro aprender e utilizar mais de uma língua para nossa comunicação.
A Linguagem é exclusiva do Homem?
Vivemos imersos neste complexo comportamento chamado linguagem; ouvimos,
falamos, lemos e escrevemos quase que instintivamente e inconscientemente, sem pensar
muito na ordem das palavras que emitimos, ou no som das sílabas que ouvimos. Bebês
nascem e, em questão de 1 ou 2 anos, já entendem muito de sua língua-mãe e não levam
muito mais tempo para se comunicarem fluentemente.
Antes objeto de estudo apenas de linguistas, hoje a Linguagem passa também ao
domínio de neurocientistas que procuram traçar sua ontogenia cerebral, e até mesmo
encontrar semelhanças entre a nossa comunicação e aquela usada por outros animais. De
certo, algumas espécies de animais se comunicam, como as aves, cães, lobos e primatas,
mas até que ponto esta forma de comunicação pode ser equiparada à nossa? Será que
alguma outra espécie poderia aprender a “linguagem dos homens”?
19

V Curso de Inverno
Neste sentido, vários experimentos têm sido realizados, especialmente com
chipanzés. Em um deles, tentou-se ensiná-los a aprender palavras em Inglês de elementos
presentes em seu ambiente, e esperar que falassem ou ao menos entendessem o que lhes
fora apresentado. Um dos resultados mais significativos deste experimento foi perceber que
tais primatas possuem um sistema fonador diferenciado do nosso, o que limita
enormemente a produção de nuances dos sons que podem ser emitidos pela espécie
humana, e também que conseguiam compreender apenas 400 palavras aos 2,5 anos. Em
outra tentativa de ensinar um chipanzé a comunicar-se, optou-se pela Linguagem de Sinais
(ASL), e chegou-se à seguinte conclusão: até os 4 anos de idade, o chipanzé havia
aprendido a sinalizar 160 palavras, e chegou até mesmo a produzir a composição “water
bird” ao ver um cisne em um lago. Pois bem, comparando-se com crianças de nossa
espécie, aos 4 anos de idade, elas já possuem um vocabulário de aproximadamente 3.000
palavras. Além disso, não é possível saber com certeza se a produção de “water bird” por
aquele chipanzé representava uma alegoria ao cisne ou se, simplesmente, eram duas
mensagens separadas – uma indicando a água em si, e a outra indicando o cisne.
De modo muito diferente, a espécie humana parece ter sido selecionada com esta
característica inata à linguagem: atualmente, no planeta, contam-se 10.000 idiomas e
dialetos dentre todos os povos da raça humana. Além disso, casos de indivíduos que
cresceram em total isolamento com a sociedade relatam o desenvolvimento de formas
próprias de comunicação. Por fim, há algumas características que diferem a comunicação
humana daquela encontrada em qualquer outra espécie animal. São elas:
•criatividade: a capacidade de gerar novas associações de palavras – ou até
mesmo criar um novo dialeto;
•forma: uso de fonemas e sílabas para compor palavras, e emprego de regras
sintáticas bem definidas para compor sentenças, tudo isso sem a necessidade de
intrução formal, mas da aprendizagem implícita – experienciada em nosso diadia;
•conteúdo: não só as palavras, mas também gestos, expressões faciais e a
entonação utilizadas carregam significado na comunicação humana.
•uso: a língua serve o propósito de meio de comunicação social e também para
identidade própria (expressa nossos pensamentos e emoções).
Assim, podemos dizer que nossa forma de comunicação é única e complexa dentre
os seres vivos de nosso planeta. Surgem também algumas questões, de discussão atual no
meio científico: esta capacidade única do ser humano reflete algum ajuste fino do cérebro
primata para o propósito específico da linguagem? Ou tal capacidade dever-se-ia ao
desenvolvimento de uma arquitetura neural completamente nova? Para melhor nos ajudar
na busca por respostas a estas perguntas, vamos agora olhar para dentro do centro da
linguagem: o cérebro humano.
20

Fisiologia da Audição
Neuroanatomia da Linguagem
Todos os aspectos da linguagem são comandados pelo cérebro: a captação de
ondas sonoras provenientes da conversa entre duas pessoas é levada ao sistema nervoso
central pelo nosso sistema auditivo; a produção da fala, envolvendo a articulação dos lábios
e língua, também tem seu controle motor coordenado pelo cérebro; a leitura e a escrita, e
até mesmo nossa linguagem corporal, intermediados pelos sistemas visual e motor, são
orquestrados pelos 1,5 quilo de massa cinzenta que se encontra dentro de nossa caixa
craniana.
Cada uma destas funções linguísticas encontra-se sob responsabilidade de áreas
neuroanatômicas bem definidas e localizadas, que serão ilustradas na Figura 1 e Tabela 1:
Figura 1: Principais áreas
anatômicas do cérebro humano.
Tabela 1: Relação de algumas estruturas cerebrais e seus respectivos papéis na linguagem.
Estrutura neuroanatômica
Função controlada
Região temporo-superior posterior esquerda Compreensão da fala e escrita
Região frontal inferior posterior esquerda Expressão oral e escrita
Córtex auditivo primário
Percepção de sons
Região temporo-parietal esquerda
Categorização de fonemas
Córtex estriado e pré-estriado
Visualização de palavras
Córtex pré-frontal
Iniciação e categorização de palavras
Tálamo
Interface semântico-lexical
Percebemos, então, um fenomêno de lateralização cerebral no que se diz respeito
ao controle da linguagem, determinando o hemisfério esquerdo como dominante. De fato,
99% das pessoas destras e 70% dos canhotos desenvolvem tal característica. O hemisfério
direito também participa em características importantes da linguagem, tais como
21

V Curso de Inverno
compreensão de respostas não-verbais, leitura de números, letras e palavras curtas, e
conferir entonação, ritmo e prosódia à lingua falada. O centro de compreensão prosódica
também localiza-se no hemisfério direito (córtex posterior).
Hoje é possível “ver” o cérebro em funcionamento através de procedimentos como
PET e fMRI. Vários experimentos tem sido feito envolvendo linguagem e mapeamento
cerebral. Na Figura 2 estão representados resultados obtidos quando da ativação cerebral
em função de diferentes usos da linguagem:
Figura 2: Níveis relativos de fluxo
sanguíneo representado por cores.
Vermelho indica os maiores níveis, e
níveis progressivamente menores são
indicados por laranja, amarelo, verde e
Portanto, podemos prever que danos em determinada porção do tecido cerebral
podem afetar uma característica específica da linguagem. São diversas as disfunções
decorrentes de AVC, conhecidas como afasias (difunções na produção ou compreensão da
fala) , alexias (disfunções na leitura) e agrafias (disfunções na escrita). As mais conhecidas
são as afasias de Broca, de Wernicke e de Condução.
A afasia de Broca afeta o conteúdo da expressão oral e escrita.Geralmente é
decorrente de lesões na região fronto-posterior esquerda, produzindo alterações no paciente
equivalentes a uma “fala telegráfica”: substantivos são usados apenas no singular, verbos
sem flexão, levando até mesmo a uma total quebra na sintaxe da frase (p.e., “Senhoras e
senhores, por favor dirijam-se à sala de jantar”, seria produzido por um destes pacientes
como “senhora, senhor, sala”). A afasia de Wernicke não prejudica a produção, mas sim a
compreensão da fala e da escrita. Devido a esta dificuldade de compreensão, sua fala fica
afetada por uma fluência em excesso, com abundância de palavras e frequentes trocas de
assunto dentro do mesmo trecho discursivo, produzindo uma espécie de “vazio” na fala.
Geralmente é resultado de lesões na região temporo-posterior superior esquerda. A afasia
de Condução ocorre quando o fascículo arqueado (região parietal esquerda), que interliga
as regiões de Broca e Wernicke, é rompido. Seus principais sintomas são dificuldades na
repetição de frases e palavras e na nomeação de objetos, e troca de letras durante a escrita.
22

Fisiologia da Audição
Existem também disfunções da linguagem observadas por lesões no hemisfério
direito do cérebro: indivíduos que utilizam um único tom de voz na linguagem após lesão no
córtex frontal direito, e indivíduos que não conseguem realizar compreensão prosódica após
lesão no córtex posterior direito.
Há, ainda, aqueles distúrbio linguísticos sem lesões vasculares ou mecânicas
aparentes, apontando apenas para um componente genético. A dislexia, por exemplo,
envolve grandes dificuldades em processos fonêmicos, ocasionando atrasos no aprendizado
de leitura e grafia incorreta de palavras. Estudos recentes apontam para um possível
correlato anatômico da dislexia: indivíduos disléxicos apresentam tamanho levemente
reduzido do hemisfério esquerdo, com grupos de neurônios “mal-posicionados” no planum
temporale esquerdo – o que sugere um atraso na migração daquelas células durante o
desenvolvimento. Existe, ainda, uma dificuldade em processar estímulos sensoriais (visuais
ou auditivos) de forma rápida por parte de indivíduos disléxicos, quando comparados à
população normal.
O Cérebro Bilíngue
Comunicar-se, portanto, parece pertencer ao acervo biológico do homem, herdado
geneticamente de nossos ancestrais; em nossa espécie, há um instinto para o
desenvolvimento da linguagem – apesar dos possíveis problemas ou deficiências no
decorrer do percurso. E quanto à comunicação em duas línguas? Como está preparado o
nosso cérebro para aprender dois ou mais idiomas, e processá-los a nível neural? Existem
populações neurais específicas para cada idioma, ou que se complementam no
processamento de mais de um idioma? Aqui, devido à modularidade cerebral - já conhecida
não apenas para diferentes funções cognitivas do ser humano (como memória, motricidade,
visão, olfato), mas também para diferentes características linguísticas, temos novamente
que discernir entre as várias habilidades envolvidas também na comunicação bilíngue:
percepção de fonemas estrangeiros, aquisição de um léxico e de estruturas próprias da
língua em questão, articulação da fala e compreensão auditiva a uma velocidade adequada
para interação com nativos daquela língua, entre outras.
Experimentos em eletrofisiologia têm privilegiado as questões linguísticas que
envolvem aquisição e uso do léxico e da gramática em uma ou mais línguas (Perani &
Abutalebi, 2005), enquanto outros se propuseram a abordar a percepção fonêmica,
destacando-se entre estes Kuhl (2000), Stager & Werker (1997) e Rivera-Gaxola et al.
(2001), apontando para padrões de organização neural no córtex auditivo primário de
crianças e adultos.
A plasticidade neural particularmente em crianças é algo notável e aceito tanto pela
comunidade científica como pela sociedade leiga em geral, a qual percebe a facilidade e
velocidade de aprendizado de novas tarefas – em especial, a aquisição de outro idioma.
Estudo publicado por Mehler e Christophe parecem indicar que recém-nascidos já
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V Curso de Inverno
discriminam entre dois idiomas estrangeiros, ao passo que, curiosamente, bebês aos 2
meses de idade não o fazem mais (Mehler & Christophe, 2000). Isso parece indicar haver
um período ótimo para esta percepção, após o qual ela deixa de existir. Ainda assim,
percebe-se que a facilidade em aprender uma outra língua (o chamado período crítico)
continua até aproximadamente quando se inicia a puberdade (Stromsworld, 2000),
caracterizando ao longo do desenvolvimento infantil algumas janelas de oportunidade -
períodos em que a aquisição de habilidades específicas seriam favorecidas por fatores
genéticos, hormonais e de plasticidade neural. Os primeiros estudos utilizando-se de
indivíduos bilíngues demonstraram que adultos que haviam aprendido duas línguas
simultaneamente na infância apresentaram uma região em comum para processamento de
ambas as línguas, ao passo que aqueles adultos que haviam aprendido duas línguas em
momentos distintos de sua vida apresentavam regiões corticais também distintas quando
utilizando cada um dos idiomas (Figura 3):
Outro importante estudo neste campo provou que não somente a idade, mas também o
nível de proficiência (ou domínio) do idioma influi na representação cerebral. Estudos com
fMRI encontraram maior densidade de massa cinzenta na região temporo-parietal esquerda
do cérebro daquelas pessoas que haviam aprendido mais precocemente duas línguas e que
possuíam maior grau de proficiência. (Mechelli et al, 2004). Isto equivale a dizer que quanto
mais cedo alguém é exposto a um idioma estrangeiro, maior a quantidade de conexões
entre neurônios naquela região cerebral específica envolvida no processamento daqueles
idiomas.
De fato, tomado de um ponto de vista neurobiológico, nascemos prontos para
aprender qualquer idioma. Uma criança que nasce na Coréia vai aprender coreano tão bem
quanto uma criança que aprende italiano por ter nascido na Itália, embora estas duas
línguas possuam sotaques e alguns sons de vogais e consoantes próprios, diferentes entre
elas. Nosso cérebro, nos primeiros anos da infância, não faz distinção entre japonês e
inglês, português e alemão, ou quaisquer outras línguas entre si. É somente após alguns
meses de vida que nosso sistema nervoso central começa a privilegiar os sons mais
freqüentes ao nosso meio, e por consequência, a não mais reconhecer fonemas
estrangeiros que não fazem parte do sistema de sons a que a criança está sendo exposta
24

Fisiologia da Audição
(Figura 4). Daí vem a dificuldade que muitos adultos encontram em, primeiro, perceber
auditivamente e, depois, em pronunciar determinados fonemas estrangeiros – como nas
palavras bad e bed, em inglês, para os brasileiros, ou como nas palavras avô e avó, em
português, para os povos de língua espanhola.
Figura 4:
Linha do
tempo para
percepção
de sons da
fala em
bebês, de 0
a 12 meses
Conclusão e Perspectivas
O campo da neurociência se abre cada vez mais para estudos da linguagem.
Processos que envolvem desde a aquisição de uma língua, passando pelo seu
processamento, distúrbios, anomalias, codificação gênica, representação mental, e
chegando até o fenômeno do bilinguismo, todos ainda reservam perguntas que têm ajudado
em nossa construção do conhecimento acerca desta fascinante área.
Podemos apontar, como perspectivas para o futuro, algumas linhas de estudo:
•Interação entre linguagem e sistemas de memória;
•Ontogenia, prevenção e reabilitação de afasias e dislexias;
•Melhor compreensão do papel de estruturas subcorticais no processamento
liguístico;
•Organização do léxico de duas ou mais línguas na memória;
•Neurofisiologia da aquisição e processamento de duas ou mais línguas em
diferentes idades e níveis de proficiência.
Referências Bibliográficas
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Specific Vowel Contrast in the First Year of Life. Language and Speech 46 (2-3), 217-243.
Callan, D., Tajima, K., Callan, A., Kubo, R., Masaki, S., Akahane-Yamada, R., 2003. Learning-induced
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second-language phonetic contrast. Neuroimage 19, 113-124.
Kim, K.H.S., Relkin, N. R., Lee, K., Hirsch, J., 1997. Distinct cortical areas associated with native and
second languages. Nature 388, 171-174.
25

V Curso de Inverno
Kuhl, P. K., 2000. A new view of language acquisition. Proceedings of the National Academy of
Science 97, 11850-11857.
Mechelli, A., Crinion, J. T., Noppeney, U., O’Doherty, J., Ashburner, J., Frackowiak, R. S., Price, C. J.,
2004. Structural plasticity in the bilingual brain. Nature 431, 757.
Mehler, J., Christophe, A., 2000. Acquisition of languages: infant and adult data. In: Gazzaniga,
Michael S. (Org.). The New Cognitive Neurosciences, 2. ed.. USA:The MIT Press, 2000.
Perani and Abutalebi, 2005. The neural basis of first and second language processing. Current
Opinion in Neurobiology, 15:202–206.
Pinker, S. The Language Instinct. USA: Penguin Books, 1995
Rivera-Gaxiola, M., Csibra, G., Johnson, M. H., Karmiloff-Smith, A., 2000. Electrophysiological
correlates of cross-linguistic speech perception in native English speakers. Behavioral Brain
Research 111, 13-23.
Stager, C. L., Werker, J. F., 1997. Infants listen for more phonetic detail in speech perception than in
word-learning tasks. Nature 388, 381-382.
Stromsworld, K. The cognitive neuroscience of Language Acquisition. In: Gazzaniga, Michael S.
(Org.). The New Cognitive Neurosciences, 2. ed.. USA: The MIT Press, 2000.
Revisado por André Frazão Helene e Gilberto Xavier
26

Fisiologia, Conservação e Meio Ambiente
Capítulo 2
Fisiologia, Conservação e Meio
Ambiente
Autores:
Ananda Brito de Assis
Amanda de Moraes Narcizo
Isabel Cristina Pereira
Juliane Suzuki Amaral
Lye Otani
Lucas Francisco Ribeiro do Nascimento / Laura Haddad
Marina Granado e Sá
Renato Massaaki Honji
Tiago Gabriel Correia
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V Curso de Inverno
Fisiologia, Conservação e Meio Ambiente
Lye Otani
Laboratório de Ecofisiologia e Fisiologia Evolutiva
lye@usp.br
1. Introdução
O universo tem aproximadamente 13,7 bilhões de anos, sendo que o nosso sistema
solar foi formado há cerca de 5 bilhões de anos atrás. As primeiras formas de vida em nosso
planeta surgiram há cerca de 3,8 bilhões de anos atrás, quase que concomitantemente ao
resfriamento do nosso planeta. A partir de então, as mais diversas formas de vida foram
evoluindo, sendo que os primeiros organismos multicelulares surgiram há cerca de 1 bilhão
de anos atrás. As plantas vasculares e os animais como artrópodes não-marinhos e os
precursores dos anfíbios, por sua vez, surgiram sobre a Terra há aproximadamente 450-400
milhões de anos. Todavia, nenhuma vida teria evoluído e se desenvolvido se não fosse pela
formação da camada de ozônio há 1-2 bilhões de anos atrás (Williams & Fraústo da Silva
2005). Esse ciclo evolutivo, que inclui processos naturais de extinção, dos diversos tipos de
organismos vivos em nosso planeta tem sido decorrente da constante alteração do meio
ambiente desde o início dos tempos. No entanto, além das variações ambientais naturais, os
seres vivos agora têm que lidar com as alterações ambientais causadas pelas atividades
humanas (Pough et al. 1998; Carey 2005).
O ser humano surgiu há 100 mil anos atrás (Williams & Fraústo da Silva 2005), e
principalmente após meados do sec. XVIII, com a Revolução Industrial, esta espécie vem
explorando os recursos naturais descontroladamente (Ribeiro 2002). As populações
humanas têm consumido e desperdiçado cerca de 40% da produtividade primária líquida
total do ambiente terrestre, levando espécies e comunidades inteiras ao ponto de extinção.
As principais ameaças à diversidade biológica e ao meio ambiente são: destruição,
fragmentação e degradação do hábitat (incluído poluição), super-exploração das espécies
para uso humano, introdução de espécies exóticas e aumento de ocorrência de doenças
(ver revisão em Primack & Rodrigues 2001).
2. Impactos Ambientais e a Biologia da Conservação
A perda de habitat resultante do desenvolvimento urbano e da agricultura, e a
subseqüente fragmentação de habitat vem ocorrendo em todo o mundo (Miller & Cale 2000;
Primack & Rodriques 2001). Essa diminuição do tamanho do habitat e o aumento do
isolamento dos organismos acarretam em um aumento de extinções localizadas (Fahring &
Merriam 1994; Zuidema et al. 1996), o que resulta em redução da biodiversidade nos
fragmentos remanescentes (Drinnan 2005). Além disso, a fragmentação ocorre mesmo
quando a área do habitat não é tão afetada, como no caso do habitat original ser dividido por
estradas ferrovias, canais, linhas de energia, cercas, tubulação de óleo, aceiros, ou outras
28

Fisiologia, Conservação e Meio Ambiente
barreiras ao fluxo de espécies (Schonewarld-Cox & Buechner 1992). Essa redução na
dispersão animal acarreta em uma diminuição na dispersão de diversos tipos sementes,
levando à diminuição das populações vegetais e da disponibilidade de alimento. Assim, as
populações menores restritas aos fragmentos tornam-se vulneráveis à depressão
endogâmica, à mudança genética, e a outros problemas associados com o tamanho
reduzido de população (Fahring & Merriam 1994; Zuidema et al. 1996). A fragmentação
também aumenta drasticamente o efeito de borda, alterando o microambiente, causando
alterações nos níveis de luz, temperatura, umidade e vento (Kapos 1989; Bierregaard et al.
1992; Rodrigues 1998; Ganlindo-Leal & Câmara 2005). Essas mudanças interferem nas
espécies que se instalarão nesta região e eliminarão muitas outras espécies, alterando a
composição das espécies da comunidade (Primack & Rodrigues 2001; Galindo-Leal &
Câmara 2005).
Outro impacto causado pela atividade humana é a poluição da água e do ar, o qual
leva a destruição de fontes de alimento e água potável, além de causar alterações e
contaminações à atmosfera da Terra. Os produtos químicos tóxicos, como por exemplo,
pesticidas, herbicidas, dejetos e derramamento de óleo e metais pesados (tais como
mercúrio, chumbo e zinco), mesmo em baixos níveis, podem ser concentrados em níveis
letais pelos organismos aquáticos filtradores, além de causarem danos irreversíveis mesmo
em doses sub-letais. Os nitratos e fosfatos, apesar de serem essenciais para a vida,
também apresentam conseqüências danosas tanto na água quanto no ar. Na água, esses
compostos são provenientes dos esgotos urbanos, fertilizantes agrícolas e outros processos
industriais, e favorecem a proliferação de algas e seu domínio sobre outras espécies de
plânctons. Essa proliferação reduz a incidência de luz e a concentração de oxigênio, devido
ao aumento de bactérias e fungos decompositores (eutrofização cultural), levando a seleção
de espécies tolerantes a água poluída e níveis baixos de oxigênio (ver revisão em Primack &
Rodrigues 2001). No ar, estes compostos são liberados principalmente com a queima de
óleos e combustíveis fósseis, e são prejudiciais à saúde pública e ao meio ambiente.
Reagindo com a umidade atmosférica, há a formação dos ácidos nítrico e sulfúrico e,
conseqüentemente, levando à produção da chuva ácida. Esta, por sua vez, diminui o pH do
solo e de corpos d’água como lagos e lagoas, acarretando na morte e redução da
reprodução de diversas espécies aquáticas (Beebee et al. 1990; Blaustein & Wake, 1995;
France & Collins 1993) e de plantas (Hinrichsen 1987; MacKenzie & El-Ashry 1988).
Hidrocarbonetos e óxidos de nitrogênio liberados por automóveis e termoelétricas, na
presença da luz, reagem com outros compostos atmosféricos e produzem ozônio e outros
compostos químicos. As altas concentrações de ozônio ao nível do solo danificam tecidos
de plantas e as tornam vulneráveis, danificando comunidades biológicas e reduzindo a
produtividade agrícola. Metais pesados, como o chumbo e o zinco, também têm sido
liberados em grandes quantidades, sendo tóxicos para a grande maioria dos seres vivos. E,
por último, a grande liberação de dióxido de carbono, metano e outros gases na atmosfera
29

V Curso de Inverno
acarretam na diminuição da taxa de dissipação do calor da superfície da Terra. Tal processo,
conhecido pelo nome de efeito estufa, pode ser responsável, juntamente com o
desmatamento, pela grande alteração climática que vem sendo registrada nos últimos anos
(ver revisão em Primack & Rodrigues 2001).
A mudança climática global e o aumento de concentrações de CO2 atmosférico têm o
potencial de reestruturar radicalmente as comunidades biológicas, favorecendo aquelas
espécies capazes de se adaptar às novas condições (Bazzaz & Fajer 1992). Há uma grande
evidência de que este processo de mudança já teria começado (Grabherr et al. 1994;
Phillips & Gentry 1994), causando um aquecimento de cerca de 0,5 o C durante o século 20
(Jones & Wigley 1990). Essas alterações afetarão principalmente as espécies de
distribuição mais restritas e de pouca habilidade de dispersão. A elevação do nível do mar
também acarretará em graves conseqüências as comunidades marinhas, principalmente
para algumas espécies de corais que necessitam de uma determinada luminosidade,
correntes marítimas e temperatura (Carey 2005).
Além das intervenções químicas e físicas, as atividades humanas também têm
acarretado em intervenções bióticas como, por exemplo, a introdução de espécies exóticas
e novas patologias resultantes. Até hoje, um grande número de espécies já foram
introduzidas, deliberadamente ou acidentalmente, em áreas onde não são nativas (Grove &
Burdon 1986; Drake et al. 1989; Hedgpeth 1993). As espécies animais introduzidas podem
alterar o hábitat, competir por recursos ou, até mesmo, se tornar predadoras das espécies
nativas e levá-las a extinção. Já a proliferação de patologias e/ou surgimento de novas
doenças podem ser resultantes da somatória das diversas alterações citadas anteriormente,
uma vez que as comunidades estão mais vulneráveis, por exemplo, as superpopulações de
determinadas espécies em fragmentos florestais favorecem altas taxas de transmissão de
doenças (Primack & Rodrigues 2001; Navas & Otani 2007). Um exemplo é o surgimento da
quitridiomicose em anfíbios, causada pelo fungo Batrachochytrium dendrobatidis. Este tem
sido apontado como um dos principais responsáveis pelo declínio global de anfíbios e pode
estar associada à mudança climática global (Navas & Otani 2007).
Diante dessas adversidades, inclusive das que ainda não tomamos ciências, a
melhor maneira de proteger e manejar as comunidades biológicas é entendendo suas
relações biológicas com o ambiente e a sua situação atual. A partir de informações sobre a
história natural das espécies, nós seremos aptos a manejar e conservar as espécies e
identificar os fatores que colocam em risco sua existência e bem estar (Gilpin & Soulé 1986).
A biologia da conservação surgiu de forma a complementar as diversas disciplinas
aplicadas, de uma maneira mais teórica e geral para a proteção da diversidade biológica.
Sendo uma ciência multidisciplinar que foi desenvolvida como resposta à grande
degradação ambiental, a biologia da conservação tem como intuito entender os efeitos da
atividade humana nas espécies, comunidades e ecossistemas, e desenvolver abordagens
30

Fisiologia, Conservação e Meio Ambiente
práticas para prevenir a extinção de espécies e, se possível, reintegrar as espécies
ameaçadas ao seu ecossistema funcional (Primack & Rodrigues 2001).
Segundo Primack & Rodrigues (2001) a biologia da conservação tenta responder
diversas perguntas referentes às características das espécies, por exemplo: (1) Ambiente:
quais os tipos de habitat utilizados pelas espécies? Como o ambiente varia no tempo e no
espaço? Com que freqüência o ambiente é afetado por perturbações catastróficas? (2)
Distribuição: Como os seus habitats estão distribuídos no planeta? Desloca-se ou migra
entre os habitats ou para diferentes áreas geográficas durante o curso de um dia ou de um
ano? É bem-sucedida na colonização de novos habitats? (3) Interações bióticas: Que tipos
de alimentos e outros recursos necessitam? Que outras espécies competem por esses
recursos? Quais os predadores, as pestes e os parasitas que afetam o tamanho de sua
população? (4) Morfologia: Como a forma, o tamanho, a cor e textura dos indivíduos
permitem sua existência em seu ambiente? (5) Demografia: Qual é o tamanho atual da
população e qual era no passado? O número de indivíduos é estável, está aumentando ou
diminuindo? (6) Comportamento: Como suas ações permitem que ele sobreviva? Como se
acasalam e têm filhotes? De que forma os indivíduos interagem entre si, tanto de forma
cooperativa como de forma competitiva? (7) Genética: Quanto de variação nas
características morfológicas e fisiológicas entre os indivíduos é controlada geneticamente?
(8) Fisiologia: Qual a quantidade de alimento, água, minerais e de outras necessidades é
necessária para sobreviver, crescer e reproduzir-se? Qual sua eficiência das espéciesno uso
dos recursos? Qual sua vulnerabilidade a condições extremas de clima, tais como calor, frio,
vento e chuva?
3. Fisiologia da Conservação
Dentro desta perspectiva, os princípios, conceitos e métodos utilizados na área da
fisiologia são de extrema importância para o entendimento dos declínios populacionais e
para a conservação ambiental (Koeman 19991; Zachariassen et al. 19991; Carey 2005;
Wikelski & Cooke 2006; Navas & Otani 2007). As diferentes variáveis dos estudos sobre a
fisiologia trazem informações importantes que ajudam a elucidar os mecanismos
relacionados à variação ambiental e sua influência sobre a aptidão de sobrevivência e
reprodução dos diversos organismos vivos. Assim, o campo da fisiologia que estuda as
respostas fisiológicas frente às alterações ambientais causadas pelo homem é atualmente
denominado como Fisiologia da Conservação (Carey 2005; Wikelski & Cooke, 2006).
Inicialmente, a fisiologia da conservação propõe utilizar-se de dados básicos sobre a
fisiologia e a aptidão e suas interações para prever e antecipar problemas futuros. No
entanto, poucos dados desta natureza estão disponíveis ou são insuficientes para que
possam ser realizados programas de gestão ambiental aptos a prever quando e onde irão
surgir problemas. Conseqüentemente, a escassez de dados sobre a fisiologia básica dos
organismos em seu ambiente natural faz com que a fisiologia da conservação abranja
31

V Curso de Inverno
diversas abordagens, incluindo levantamentos dos dados básicos em seus objetivos para
poder comparar com os dados sobre o ambiente estressante, em vez de simplesmente
realizar medições pós-impactos (Wikelski & Cooke 2006).
Utilizando os métodos desenvolvidos pela fisiologia, os estudos sobre conservação
são capazes de identificar os principais fatores ou períodos de como ou quando os
organismos se tornaram estressados. Por exemplo, as diversas técnicas utilizadas na
endocrinologia podem ser utilizadas para detectar os problemas de reprodução em cativeiro
encontrados em diversas espécies, favorecendo terapias hormonais principalmente em
espécies ameaçadas de extinção. Esses estudos também possibilitam agrupar casais em
períodos reprodutivos sincronizado, a fim de facilitar a reprodução em cativeiro, todavia, tais
medidas não desvalorizam a importância da conservação da vida selvagem em seu habitat
natural (Wikelski & Cooke 2006). Outro exemplo são os estudos que têm demonstrado que a
modificação física do ambiente e a introdução de poluentes causam alterações sobre
diversos aspectos da fisiologia metabólica de vertebrados e invertebrados (Calow 1991;
Zachariassen et al. 1991; Hopkins et al. 1998; Beyers et al. 1999; Barbieri et al. 2002; Carey
2005). Já a diminuição do tamanho do habitat e o aumento da isolação dos organismos
causada pela fragmentação, além de acarretam no aumento de extinções localizadas
(Fahring & Merriam 1994; Zuidema et al. 1996; Drinnan 2005), podem atuar na seleção
natural das espécies através de suas características fisiológicas, por exemplo, o
desempenho locomotor (Navas & Otani 2007) ou até mesmo causar alterações hormonais
prejudicando o ciclo reprodutivo (Suorsa et al. 2003; 2004).
O estudo da energética também representa uma ferramenta importante para a
fisiologia na avaliação toxicológica, possibilitando o estabelecimento de relações de causae-efeito
entre os agentes estressores e as respostas obtidas nos diversos níveis de
organização biológica (Clements 2000; Carlisle 2000). Apesar das ligações energéticas
entre escalas não serem bem definidas, existem evidências de que a energética individual
possa influenciar os padrões e processos do ecossistema (Parmelee 1995; DeAngelis
1995). Diversas técnicas podem ser utilizadas, em campo, para avaliar o equilíbrio
energético dos animais, com mínimo de estresse, como por exemplo: a biotelemetria, que
nos possibilita detectar alterações comportamentais e fisiológicas (freqüência cardíaca,
temperatura corpórea, taxa opercular, batimento caudal, da asa ou de outros apêndices) em
tempo real, e a água duplamente marcada (quantificação de produção de CO2 através de
isótopos (Speakman 1997; Nagy et al. 1999; Costa & Gales 2003).
Utilizando os dados obtidos por esses estudos, a fisiologia da conservação também
pode destacar os principais organismos mais vulneráveis aos diversos fatores estressores
imposto pelo homem (Mangum & Hochachka 1998; Somero 2000; Costa & Sinervo 2004).
Estudos sobre a susceptibilidade dos organismos diante aos fatores estressantes,
juntamente com dados básicos a respeito de sua biologia e fisiologia, são essenciais para o
desenvolvimento, ainda mais a longo prazo, de planos para monitorar os ambientes
32

Fisiologia, Conservação e Meio Ambiente
alterados (Carey 2005; Wikelski & Cooke 2006). Wikelski & Cooke (2006) sugerem que os
programas de conservação sejam acompanhados de avaliações fisiológicas para que
possamos obter uma compreensão geral dos problemas que concernem à conservação
ambiental. Posteriormente, as estratégias de conservação devem ser disponibilizadas em
um catálogo contendo os dados sobre os diversos tipos de manipulações utilizados para
cada tipo de estressor, facilitando assim a divulgação integrada dos dados sobre todos os
aspectos biológicos, fisiológicos e ecológicos das espécies juntamente com os programas
de conservação já realizados, constando seus principais problemas e sucessos. De fato, a
Rede de Observatório Ecológico Nacional (NEON - http:// www.neoninc.org/) já estão
incluindo os parâmetros fisiológicos para o acompanhamento de diversas espécies de
animais, a fim de tornar disponível a maior quantidade de dados para incorporá-los à metaanálises
do impacto dos estressores sobre as populações (Wikelski & Cooke 2006).
Tendo em vista que variabilidade na capacidade das diversas espécies de animais
para tolerar a modificação antrópica do ambiente guarda relação como a fisiologia e a
capacidade para manter o balanço energético e o equilíbrio interno (homeostase), o
presente capítulo tratará de oito tópicos mais detalhadamente. Em primeiro lugar serão
discutidos como alguns disruptores ambientais acarretam na deficiência imunológica dos
organismos, tornando-os mais vulneráveis aos patógenos. Existem casos em que surtos de
doenças podem estar relacionados a alguns casos de declínio e extinção de populações,
como é o caso de algumas espécies de anfíbios. Em segunda estância, serão abordados os
mecanismos comportamentais, fisiológicos e bioquímicos relacionados à depressão
metabólica em diferentes grupos de vertebrados frente a variações ambientais sazonais, e
de que maneira as acentuadas mudanças ambientais globais causadas pela ação do
homem atuam sobre estes padrões e afetam a sobrevivência dos animais. Dando
continuidade a este tema, serão realizados um estudo de caso sobre as alterações sofridas
por um dos mais típicos bioma brasileiro, a Caatinga. Nesse momento, analisaremos como
as atividades antrópicas estão alterando o bioma e quais as conseqüências sobre a
fisiologia e, conseqüentemente, a aptidão das espécies ali presentes.
Em quarto lugar, analisaremos como a resposta celular ao estresse está relacionada
à proteção do organismo contra danos provocados pela exposição a uma ampla variedade
de agentes estressores, como por exemplo, calor, luz ultravioleta, metais pesados e
xenobióticos. Além de avaliar como essa resposta levam a conseqüências fisiológicas
(disrupção endócrina, disfunções metabólicas, osmorregulatórias, reprodutivas) e ecológicas
(influência sobre a distribuição geográfica, alteração sobre a dinâmica de populações e até
mesmo a estrutura de ecossistemas). Como quinto tópico, termos uma visão mais detalhada
de como o pH da água pode ser alterado e quais as suas conseqüências sobre os
organismos aquáticos. Em seguida, será discutida a importância e os métodos de utilização
dos biomarcadores como instrumentos que possibilitam a identificação de substâncias
tóxicas ou uma condição adversa antes que sejam evidenciados danos à saúde organismal.
33

V Curso de Inverno
O sétimo tópico relatará a ação de disruptores endócrinos sobre os hormônios esteróides, e
os seus efeitos na reprodução, principalmente, dos organismos aquáticos. Por fim, a
construção de reservatórios nos rios será analisada com relação aos grandes impactos
causados no ciclo de vida dos animais, relatando estudos de casos em peixes.
Apesar de tratarmos principalmente sobre a fisiologia e conservação dos animais, é
importante ressaltar que esta área também é relevante para outros organismos não animais.
No caso das plantas, por exemplo, Pywell e colaboradores (2003) utilizou-se de dados
fisiológicos para predizer o desempenho de pastagens e de reflorestamentos. Orth e
colaboradores (2000) basearam-se em estudos sobre a fisiologia de dormência e
germinação de sementes para projetos de conservação de plantas marinhas. Outros autores
têm utilizado as informações sobre tolerâncias fisiológicas para predizer respostas de
plantas marinhas (Beardall et al. 1997) e terrestres (Tilman & Lehman 2001) frente às
alterações climáticas. Conseqüentemente, a diversidade e os padrões de distribuição de
animais e plantas estão relacionados com o potencial de diferentes grupos sistemáticos para
produzir ajustes comportamentais, morfológicos ou fisiológicos, ao longo de gradientes
ecológicos espaciais e temporais. Dessa maneira, a fisiologia da conservação tem um papel
fundamental ao estabelecer os limites ambientais que garantem a reprodução dos indivíduos
e, conseqüentemente, a viabilidade das populações, comunidades e ecossistemas.
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Revisado por José Eduardo de Carvalho
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V Curso de Inverno
Mudanças Ambientais: Uma Perspectiva Imunológica
Ananda Brito de Assis
Laboratório de Ecofisiologia e Fisiologia Evolutiva
ananda_wu@yahoo.com.br
1. O Sistema Imunológico
O conceito corrente de sistema imunológico está baseado em estudos realizados
com humanos e outros mamíferos. Este sistema é caracterizado pelo conjunto de órgãos
relacionados às reações imunológicas, à diferenciação e maturação das células
encarregadas das respostas imunitárias (Manning & Turner, 1976). Este sistema possui
grande eficiência na inativação e eliminação de organismos invasores, particularmente
microrganismos patógenos, e na remoção de células mortas ou mutantes e constitui um dos
mecanismos adaptativos mais importantes ao permitir a permanência dos organismos em
ambientes potencialmente lesivos Considerado um dos maiores mecanismos fisiológicos
reguladores da sobrevivência, esse sistema é de fundamental importância na
sustentabilidade das populações (Russo 2001).
O sistema imunológico compreende mecanismos inespecíficos e específicos. Os
primeiros, protegem o corpo de qualquer material ou microorganismo estranho e tem duas
linhas de ação: as barreiras naturais, como a própria pele, saliva, ácido clorídrico do
estômago, a cera da orelha externa, as mucosas no geral, cílios, pêlos e outros. Os
mecanismos específicos são caracterizados pela presença de células fagocitárias,
substâncias antimicrobianas e aumento da temperatura, componentes do processo
inflamatório. Se a inflamação não for eficiente para conter a invasão do patógeno, os
mecanismos específicos são ativados, onde vários tipos celulares são recrutados
(Abrahamsohn 2001; Russo 2001).
A resposta imune compreende dois processos: a imunidade humoral, mediada por
anticorpos, proteínas presentes no plasma e nas superfícies dos linfócitos que possuem
especificidade com o antígeno; e a imunidade celular, mediada por células (Abrahamsohn
2001) (Figura1). Tanto as células fagocitárias (fagócitos) quanto os componentes do sistema
complemento, constituído por proteínas com atividade enzimática, são filogeneticamente
mais antigos que os linfócitos (células de reconhecimento que dão início à etapa específica
da resposta imune). Os fagócitos estão representados praticamente em toda a escala
filogenética enquanto que os linfócitos só aparecem nos vertebrados, a partir de Agnatha.
Da mesma forma, outros órgãos como o timo e o baço, assim como uma grande
diversidade de moléculas da superfamília das imunoglobulinas (as moléculas-chave na
imunologia) já aparecem a partir deste grupo de vertebrados (Marchalonis 1977).
38

Fisiologia, Conservação e Meio Ambiente
Figura 1: Esquema simplificado do dos mecanismos de defesa imunológica
Fonte: http://www.afh.bio.br/imune/imune2.asp#propriedades
1.1. O sistema imunológico nos diversos grupos
1.1.1. Invertebrados
Até a década de 70, considerava-se que invertebrados não possuíam sistema
imunológico, isto este porque, segundo os estudos até aquele momento, nesses animais o
sistema baseava-se apenas em fagocitose e detinham pouca especificidade. No entanto,
esse paradigma foi quebrado quando estudos mostraram que nem todos os vertebrados
possuem um sistema imunológico completo, ou seja, incluindo memória e reconhecimento
com células-mediadas e reações imunes humorais. A partir disso, o sistema dos
invertebrados, mesmo sendo, em complexidade, mais simples que a grande maioria dos
vertebrados, passou a ser considerado.
39

V Curso de Inverno
Os invertebrados não secretam imunoglobulinas, mas hemaglutininas são
encontradas em vários filos destes. Estas moléculas assemelham-se aos anticorpos dos
vertebrados, uma vez que possuem um alto grau de especificidade, além de se ligarem a
carboidratos específicos na superfície de células de maneira a formar receptores (Manning e
Turner 1976). A imunidade célula-mediada específica surgiu muito cedo na evolução e é
bem estabelecida nos invertebrados superiores. Apesar da grande diversidade de grupos, o
padrão básico de resposta a um invasor e a injúria a um tecido nos invertebrados se
mantém constante ao longo dos grupos desde amebas (Marchalonis 1977).
1.1.2. Vertebrados
O aparecimento e a evolução de um sistema de defesa altamente complexo e
específico são evidentes nos vertebrados. O grupo dos Agnatha, primeiramente, possui os
requerimentos funcionais básicos de um sistema imunológico: especificidade, memória e
proliferação. Apesar disso, os organismos desse grupo não dispõem de um sistema linfóide
tendo, por isso, limitações evidentes na resposta imune. Chondrichthyes e Osteichthyes já
possuem um sistema imune bastante eficiente, com um timo definitivo e estrutura 2H-2L de
imunoglobulina, possivelmente herdados de um ancestral Gnatostomata, além de um
sistema linfóide funcional (Manning e Turner 1976).
A passagem da água para a terra foi provavelmente a etapa mais importante na
evolução dos vertebrados e envolveu profundas modificações no corpo dos indivíduos.
Essas alterações podem ser percebidas no sistema imune dos anuros, onde o rim atua
como um órgão linfóide, o esqueleto adquire adaptações provendo sítios para a medula
óssea, a migração de células imunes dos vasos aos tecidos, torna-se mais eficiente, surgem
grande diversidade de imunoglobulinas e os primeiros nódulos linfáticos.
No grupo de animais ectotérmicos, justamente onde tem-se a maior quantidade de
informações acerca da diversidade imunológica dos vertebrados. Comparados com muitos
anfíbios, segundo dados disponíveis até o momento, alguns répteis mostram uma
imunocompetência inferior e uma lenta diferenciação de órgãos linfóides. A organização
desses órgãos é mais simples, em todos os grupos de répteis, quando comparada à
observada em aves e mamíferos. Aves possuem um órgão linfóide primário, a “Bursa de
Fabrício”, onde se diferenciam alguns anticorpos específicos. Neste grupo de animais e em
mamíferos, a homeotermia proveu incremento na eficiência do sistema imune. Em
mamíferos, a viviparidade, que envolve um complexo relacionamento materno-fetal,
somado ao cuidado parental, permitem o estabelecimento populações celulares no sistema
imune e isto favorece a heterogeneidade funcional, uma característica fundamental de
mamíferos. Estes mecanismos permitem uma fina descriminação, especializações e
refinamentos em mecanismos de feed-back que contribuem para a eficiência imunológica.
Todas essas reações e interações ocorrem nos tecido linfóides. Nos mamíferos, os nódulos
linfáticos são, em eficiência, uma inovação evolutiva, e são provenientes de órgãos
40

Fisiologia, Conservação e Meio Ambiente
rudimentares em outros vertebrados. Respostas de localização específica nas diferentes
regiões dentro do sistema de nódulos linfáticos promovem reações discretas e bem
controladas. Essa descrição do sistema imune torna evidente a progressão filogenética
desse sistema e é de grande valor para os estudos de fisiologia comparada, podendo
também ser utilizados em pesquisas conservacionistas (Manning &Turner 1976).
2. Ambiente e Imunidade
A influência do meio ambiente na saúde dos indivíduos deve ter sido observada a
partir do momento em que se começou a pensar em doenças. Hipócrates em seus estudos
sobre as causas dos estados doentios, já mencionava a importância do ambiente total
nesses processos. Segundo dados da Wold Health Organization – WHO globalmente,
estima-se que, 24% da sobrecarga doença (esperança de vida saudável perdidos) e 23%
de todas as mortes (mortalidade prematura) foram atribuídos a fatores ambientais (Daszak
et al. 2000; Prüss-Üstün & Corvalán 2006). Existe um senso comum de que fatores
ambientais têm influência sobre o estado físico dos organismos. Todavia, são poucos os
estudos que se aprofundam nessa temática, no sentido de investigar os mecanismos pelos
quais os sinais ambientais ditam alterações fisiológicas que culminam em doenças.
Devido ao histórico de epidemias que acometeram a população humana e estas
terem sido apontadas atualmente como um importante fator de perda da biodiversidade, as
“doenças infecciosas emergentes”, ou do inglês EIDs (Emerging Infectious Diseases) têm
recebido atenção agora. Estas são definidas como doenças que: recentemente têm
aumentado em incidência ou em extensão geográfica, circulam entre novas populações
hospedeiras, foram descobertas recentemente ou envolvem novos patógenos. (Daszak
2001) O aparecimento e evolução desses surtos de doenças devem-se a mudanças na
ecologia do parasita, do hospedeiro, ou de ambos, resultado de fatores essencialmente
antropogênicos. O impacto das mudanças ambientais humanas sobre as populações
selvagens é claro e sem precedentes (Daszak et al. 2000).
A expansão da população humana tem dirigido a emergência das doenças
infecciosas mediante o aumento da densidade populacional, especialmente em áreas
urbanas, e da invasão no habitat natural. O impacto sobre as populações selvagens
certamente desequilibra relações ecológicas, como aquela patógeno-hopedeiro, promovida
pela instalação e expansão da agricultura, introdução de espécies exóticas, destruição de
habitat.
41

V Curso de Inverno
Tabela 1: Doenças infecciosas emergentes que envolvem humanos, animais domésticos e selvagens, suas
posições geográficas e relação com o meio ambiente (Daszak et al. 2000).
42

Fisiologia, Conservação e Meio Ambiente
2.1.1. Mecanismos imunológicos em anfíbios
Os mecanismos de resistência dos anfíbios aos patógenos envolvem o sistema
imune inato bem como o sistema imune adaptativo. O sistema imune inato é aquele que
promove proteção rápida e inespecífica. A primeira linha de defesa ocorre através da pele e
do trato digestório, e é realizada por peptídeos antimicrobianos. Como todos os vertebrados,
anfíbios também possuem células fagocíticas, macrófagos primários e neutrófilos que
podem fagocitar diretamente um patógeno. Anfíbios compartilham com outros vertebrados
um sistema complemento que pode matar diretamente o organismo invasor através de um
complexo de ataque à membrana, e atua também em conjunto com anticorpos. Citotoxinas
naturais produzidas por células “natural killers” (NK) também estão presentes, assim como
em todos os vertebrados. O sistema imune adaptativo requer tempo para ser ativado,
seguido da detecção de um antígeno. É altamente específico e promove a geração de
memória celular. O sistema é composto de linfócitos T e B que expressam receptores de
superfície celular e receptores imunoglobulinas (Ig). O Timo e o baço são órgãos linfóides
central e periférico, respectivamente. Embora salamandras possuam a estrutura básica do
sistema adaptativo imune, a resposta imunológica in vivo é tipicamente menos robusta que
em anuros (Manning e Turner 1976; Carey et al. 1999).
Dado que anfíbios possuem um aparato imunológico sofisticado, a mortalidade em
massa desse grupo não pode ser atribuída simplesmente à possibilidade de mecanismos de
defesa deficientes. Alguns fatores ambientais podem modular a resistência dos anfíbios aos
patógenos:
•Desenvolvimento: Durante a metamorfose, anfíbios anuros sofrem total reorganização de
todos os sistemas fisiológicos, inclusive o sistema imune, sendo que mudanças
decorrentes da metamorfose em urodelos são menos acentuadas. A imunocompetência
completa não é alcançada até o momento após a metamorfose, pelo menos para as
poucas espécies estudadas até o momento. Na ontogenia, a população de linfócitos
expande durante o crescimento do girino e decresce acentuadamente em órgãos como o
timo, o fígado e o baço durante o clímax da metamorfose. Quando a metamorfose é
completada, a população de linfócitos expande novamente até alcançar os níveis da
população do adulto, cerca de 4 a 8 meses. Linfócitos B também aumentam em duas
ondas que são separadas pela metamorfose. Adicionalmente, o sistema imune é muito
sensível à corticoesteróides, e estes têm uma alta produção durante a metamorfose, e a
queda dos níveis dos parâmetros gerais durante esse período é atribuída à elevação dos
níveis desse hormônio. A imunossupressão logo após e durante a metamorfose, torna os
anfíbios susceptíveis às doenças. Alguns estudos afirmam que quando os girinos
desenvolvem-se em condições de escassez de alimento eles metamorfoseiam tarde e em
tamanho menor que o normal. Dessa forma, o sistema imune pode ser seriamente
43

V Curso de Inverno
comprometido. Deste modo, perturbação e destruição dos hábitats leva ao
desenvolvimento e metamorfose em ambientes menos que o ótimo, isso poderia levar a
uma perda de linfócitos maior que a normal e um concomitante aumento da
susceptibilidade a doenças durante esse momento de transição (Rollins-Smith 1998).
• Temperatura: Mudanças nas condições climáticas têm sido apontadas como um
importante fator para o declínio das populações de anfíbios. Sabemos que o sistema
imune em ectotérmicos é temperatura-dependente, por isso esse fator ambiental pode
diretamente influenciar a susceptibilidade desse grupo às doenças infecciosas. Algumas
taxas de componentes do sistema imune diminuem durante períodos de baixas
temperaturas, o qual pode ser uma resposta adaptativa ao decréscimo do risco de
adquirir uma infecção no inverno. Linfócitos e eosinófilos permanecem a níveis basais em
baixas temperaturas, em anfíbios aclimatados, neutrófilos e fagócitos deprimem suas
atividades inicialmente quando a temperatura cai, mas retornam aos níveis normais uma
vez que o animal está aclimatado, sugerindo que esses parâmetros são temperaturadependente.
O aumento da variabilidade das condições climáticas pode conduzir a
períodos de imunossupressão mais longos ou mais freqüentes, o que tem implicações
para a emergência das doenças e o potencial para as mudanças climáticas exacerbar o
declínio dos anfíbios (Raffel et al. 2006; Marchalonis b 1977)
• Pesticidas: Muitas substâncias, incluindo os pesticidas utilizados em agricultura,
modulam a resposta imunológica podendo alterar tanto aspectos morfológicos quanto
fisiológicos. Anfíbios expostos a pesticidas sofrem um decréscimo no número de células
em órgãos linfóides, como o baço. O número de esplenócitos, por exemplo, é
inversamente proporcional à quantidade do agente químico ao o indivíduo foi exposto,
esse parâmetro indica, portanto, que mesmo a exposição prolongada a baixas
concentrações, também têm efeito no sistema imune desses animais. Pesquisas
mostram que rãs (Rana temporária) expostas a altas concentrações de inseticidas
organofosforados possuíam baixos níveis de leucócitos no sangue, quando comparados
a animais não expostos. Os mecanismos como ocorrem essas alterações ainda não são
conhecidos; contudo, é possível que os contaminantes tenham um efeito citotóxico nas
células hematopoéticas primordiais e/ou pode modificar a hematopoese. Esses
contaminantes também modulam respostas-chave da imunidade, como a fagocitose, e
também apresenta uma relação dose-resposta, ou seja, quanto mais alta a concentração,
menor o número de fagócitos. Certos poluentes, por outro lado, têm a propriedade de
hiper-estimular células imunes e conduzem, portanto, à reações de hipersensibilidade ou
doenças auto-imunes, o que poderia induzir lesões em diferentes tecidos. Pesticidas
também modulam a função-chave básica dos linfócitos, que reagem à estimulação
antigênica, e estes adquirem certa incompetência de proliferar mesmo quando expostos a
44

Fisiologia, Conservação e Meio Ambiente
baixas concentrações de pesticidas. O estado de imunossupressão, decorrente da
exposição aos pesticidas , leva portanto ao decréscimo da resistência a patógenos
oportunistas (Vos et al. 1989; Christin et al. 2004).
• Corticoesteróides: Nos anfíbios, a produção de hormônios corticoesteróides, pelo eixo
hipotalâmico-pituitário-inter-renal (sistema neuro-endócrino), tem um efeito inibitório no
sistema imunológico. Segundo alguns estudos, a exposição a esses hormônios reduz o
tamanho do timo, em Rana perezi, devido à perda de linfócitos corticais, além da
diminuição no número de linfócitos circundantes. A rejeição de tumores é diminuída por
corticoesterona e aldosterona em Rana pipiens e o tratamento com corticoesteróides
causa disseminação de doenças através da infecção desta espécie com o fungo
Mycobacterium marinum. O efeito desses hormônios in vitro é evidente: inibição da
proliferação de linfócitos, diminuição da viabilidade de esplenócitos e timócitos e indução
de apoptose nos linfócitos. A observação dos corticoesteróides é importante no sentido
de que fatores ambientais, como tóxicos químicos e radiação ultravioleta, considerados
estressores, levam a uma ativação crônica do eixo neuro-endócrino e uma conseqüente
liberação desequilibrada desses hormônios imunossupressores, favorecendo a
susceptibilidade dos animais às doenças (Rollins-Smith 2001).
2.2 Outros casos
A diminuição da camada de ozônio resulta em um aumento na quantidade de
radiação ultravioleta que alcança o solo, particularmente em altitudes elevadas. A exposição
à radiação UV-B,portanto, pode exceder os níveis para os quais existem mecanismos de
proteção imunológica. Mamíferos expostos à quantidades sub-letais dessa radiação podem
ter a função imune suprimida, incluindo os humanos. Os efeitos no sistema imunológico são
expressos imediatamente ou ao longo de anos. Ratos expostos a relativamente baixos
níveis de UV-B, prejudicam a sua habilidade de rejeitar tumores e de detectar antígenos, o
que leva a uma maior predisposição à infecções por fungos, bactérias, vírus e parasitas na
pele (Carey et al. 1999).
Estudos de laboratório com espécies de roedores, mostraram que o sistema
imunológico pode ser afetado por um grande número de poluentes ambientais. Em
conseqüência ao contato com esses químicos, as respostas imunes dependentes do timo
são suprimidas e essa supressão é particularmente evidente durante o período perinatal, ou
seja, durante o desenvolvimento do sistema imune (Vos et al. 1989).
A maior preocupação quanto aos efeitos da contaminação por químicos tem sido
focada nos ecossistemas aquáticos. Alterações em certos parâmetros imunológicos após a
exposição à poluentes químicos tem sido demonstrada tanto em condições experimentais
quanto no campo (Vos et al. 1989).
45

V Curso de Inverno
3. Considerações Finais
Diante das condições atuais do ambiente terrestre e a desenfreada marcha pelo
desenvolvimento, é urgente e necessário compreendermos de que forma a vida, em todas
as suas formas, é afetada por esse processo. O sistema imunológico dos organismos é
altamente reativo às mudanças externas e um importante mediador da integridade dos
indivíduos, por isso, esforços no sentido de nos aprofundarmos nesse estudo fisiológico nos
trarão, indubitavelmente, contribuições sem precedentes para a preservação da vida.
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Revisado por José Eduardo de Carvalho e Dejanira de Franceschi de Angelis
46

Fisiologia, Conservação e Meio Ambiente
As Estratégias Comportamentais e Fisiológicas dos Animais
Frente a Mudanças nas Condições Ambientais
Lucas Francisco Ribeiro do Nascimento / Laura Haddad
Laboratório de Tecidos Moles
lribeiro_bio@yahoo.com.br
Todo ser vivo necessita de um fornecimento contínuo de energia para realizar suas
funções vitais. Nos vertebrados, o fornecimento de energia é garantido pela ingestão de
alimento na forma de grandes moléculas, as quais são reduzidas a formas estruturalmente
menores e mais simples no trato gastrintestinal, possibilitando seu transporte através de
membranas celulares e, conseqüentemente, sua absorção e utilização nos processos
metabólicos de conversão de energia.
Toda a energia adquirida é geralmente usada nos processos metabólicos de
manutenção, ou para crescimento e reprodução, ou perdida e eliminada, e esses
componentes integram o orçamento energético (‘energy budget’) conforme a equação:
Ein = Eperd + Eprod + Em,
onde Ein é a energia ingerida na forma de alimento, Eperd é a soma da energia perdida, Eprod
é a energia associada com a produção (crescimento e reprodução – produção de gametas)
e Em representa a energia relacionada com o metabolismo de manutenção (Willmer et al.
2000).
A taxa de ingestão de alimentos varia com a massa corpórea e essa relação
independe da dieta (Farlow 1976). Além disso, animais com baixas taxas metabólicas
tendem a exibir menores taxas de ingestão, em contraposição a animais metabolicamente
mais ativos. Outros fatores que influenciam a taxa de ingestão incluem os ciclos sazonais de
crescimento, reprodução e acúmulo de estoques de gordura, os quais são intimamente
relacionados a mudanças nas condições ambientais dados por variações no fotoperíodo,
temperatura e disponibilidade de alimento. De acordo com o modelo apresentado por
Speakman & Król (2005; figura 1), a taxa de ingestão alimentar e a transferência de energia
nos animais, pode ser limitada centralmente pela capacidade do trato digestório de
processar, assimilar e distribuir os nutrientes (A) ou perifericamente, pela capacidade dos
tecidos de consumir a energia fornecida pelo trato digestório (B), pela capacidade de
produção de calor (C) e ainda pela capacidade de excreção de produtos finais do
metabolismo (D). Adicionalmente, a oferta de alimento no ambiente (E) representa um fator
crítico, como evidenciam os vários exemplos de animais que apresentam longos períodos
de inatividade e depressão metabólica sazonal em resposta à escassez de alimento. No
conjunto, esses fatores atuam estabelecendo um ‘teto’ ou limite máximo da capacidade de
transferência de energia nos animais, podendo agir diretamente ou, alternativamente,
influenciar o investimento na captura e ingestão de alimento via sistema nervoso central.
47

V Curso de Inverno
Além disso, o cérebro pode também influenciar a taxa de ingestão devido a um sistema
neuroendócrino que age independentemente do suprimento imediato de alimento.
Figura 1 – Esquema do fluxo de energia em animais extraído de Speakman & Król (2005). As letras
(A-E) e os triângulos indicam os possíveis pontos do sistema nos quais o fluxo pode ser limitado (ver
explicações detalhadas no texto).
O trato alimentar possui certa capacidade de estocagem, armazenando
temporariamente o alimento ingerido. Adicionalmente, parte da energia proveniente dos
nutrientes absorvidos e pode ser direcionada para dois tipos de estoques: estoques de
curto-prazo, geralmente uma reserva de glicogênio no fígado e estoques de longo-prazo,
geralmente lipídio depositado no tecido adiposo. Para o crescimento e reprodução, a
energia poder ser retirada diretamente dos nutrientes ingeridos ou, excepcionalmente, da
mobilização desses estoques energéticos no animal, além de ser usada nos processos
celulares, termorregulação e contração muscular. Durante os processos metabólicos de
conversão, parte da energia é perdida como calor ou eliminada como produto final de
reações metabólicas como, por exemplo, compostos nitrogenados resultantes do
catabolismo de proteínas. O restante pode ser eliminado na forma de compostos
específicos, por exemplo, a perda de energia em secreções corpóreas. A limitação da
48

Fisiologia, Conservação e Meio Ambiente
capacidade funcional do trato digestório resulta numa ineficiência da utilização dos
nutrientes, sendo a outra parte da energia ingerida perdida nas fezes.
O custo energético associado com a ingestão, digestão, absorção e assimilação de
nutrientes, comumente denominado ação dinâmica específica, resulta num aumento de
30-40% do consumo de oxigênio basal ou de repouso. Em animais que se alimentam
esporadicamente, como cobras boas e pítons, a ação dinâmica específica pode elevar a
taxa metabólica a valores até 40 vezes maiores do que o observado na condição basal.
Esse grande aumento resulta da regulação de processos que incluem um aumento da
atividade de enzimas, transportadores e secreções gástricas e um rápido crescimento de
órgãos que atrofiaram no jejum, como intestino, estômago, coração, fígado, pulmões e rins
(Willmer et al. 2000). A atrofia desses órgãos no jejum, quando estão em desuso ou
funcionando a taxas reduzidas, e a rápida recuperação de sua estrutura e capacidade
funcional após a retomada da alimentação são exemplos notáveis de plasticidade fenotípica.
O jejum prolongado ocorre naturalmente nos animais que se alimentam
esporadicamente, em geral carnívoros restritos, ou quando algumas atividades competem
com a alimentação ou forrageamento, como na reprodução de pingüins e focas ou durante o
cuidado com os ovos e com as crias. Em outros casos, o jejum prolongado está associado a
condições ambientais desfavoráveis, como o frio ou calor intenso, seca, hipóxia ou anóxia, e
os animais exibem comportamentos compensatórios como a migração, em algumas
espécies de aves e peixes, ou a dormência sazonal, em mamíferos hibernantes e anfíbios e
répteis estivantes. Animais adaptados ao jejum exibem uma gama de respostas fisiológicas
e comportamentais que incluem uma fase de preparação em antecipação ao fenômeno.
Como um padrão geral, há formação de grandes reservas de água e nutrientes,
principalmente lipídios, cuja contribuição para o período de jejum excede a de outros
substratos. Durante o jejum, a perda evaporativa de água é minimizada por uma redução
acentuada da ventilação e por barreiras químicas ou físicas no tegumento, como a secreção
de muco ou a permanência em abrigos, os quais reduzem o grau de exposição da superfície
corpórea ao ambiente. A geração de energia através do catabolismo de e proteínas é
reduzida, e a redução da taxa metabólica basal é dada por uma diminuição das freqüências
cardíaca e respiratória, da taxa de filtração renal e da atividade muscular (Storey 2002). Em
contraposição, em animais migratórios, como certas aves, o jejum se dá sob condições
extremas de exercício e está associado à formação de grandes reservas lipídicas e de
proteínas, que são catabolizadas a taxas elevadas durante o período de vôo (McWilliams &
Karasov 2001). Ambos os fenômenos envolvem ajustes fisiológicos semelhantes em
resposta ao jejum, embora a dormência corresponda a uma versão em “câmara-lenta” e a
migração ao modo “acelerado”. A pronunciada depressão metabólica que acompanha a
dormência representa, portanto, uma alternativa que reduz a demanda energética,
diminuindo o impacto das alterações do meio e prolongando o tempo de sobrevivência dos
animais.
49

V Curso de Inverno
A sobrevivência dos animais que exibem dormência sazonal depende, em grande
parte, de ajustes na estrutura e na função do trato gastrintestinal, em resposta a variações
na demanda e suprimento energético. Tais ajustes podem ter sido favorecidos pela seleção
natural, reduzindo o custo metabólico de manutenção no período em que o órgão encontrase
em desuso. O intestino é o primeiro órgão a ser diretamente afetado por mudanças nas
taxas de ingestão alimentar. Boa parte da energia ingerida é destinada à manutenção deste
órgão, que apresenta um intenso metabolismo, dado principalmente pela atividade de
transportadores e de síntese protéica, esta última para reposição de componentes celulares,
que resulta em um elevado custo de manutenção do tecido, atingindo cerca de 20-30% do
metabolismo basal em mamíferos (Tracy & Diamond 2005). Em mamíferos hibernantes se
observa uma atrofia da musculatura do intestino e da camada mucosa durante a dormência,
com diminuição pela metade do seu conteúdo protéico, causando um encurtamento da
região das vilosidades. Embora as alterações observadas possam representar um potencial
comprometimento da capacidade total de digestão e absorção do órgão, a arquitetura e a
capacidade funcional do tecido por unidade de massa encontram-se bem preservadas ao
final do período de dormência, inclusive se comparadas a de animais em plena atividade.
Esta característica pode estar associada com a ocorrência de vários episódios de despertar
durante o período total de dormência, típica de pequenos hibernantes, permitindo o
reabastecimento de estoques celulares e a síntese de proteínas (Carey et al. 2003). Desse
modo, apesar da atrofia, a preservação da capacidade funcional do tecido teria grande
relevância na fase crítica que inicia na primavera, garantindo que o animal esteja apto a
digerir e absorver nutrientes, ainda que parcialmente, logo após o despertar, quando os
estoques corpóreos de energia encontram-se reduzidos e há um aumento do consumo de
energia para o forrageamento e alimentação.
Em contraste com mamíferos, a dormência sazonal em certos anfíbios e répteis é um
processo contínuo ao longo de vários meses, não incluindo episódios de despertar, e a
contribuição relativa do tecido intestinal para a economia energética na fase dormente pode
ser maior que a observada em hibernantes típicos. Em lagartos teiú jovens, a depressão
metabólica na dormência atinge 80% das taxas de repouso na fase de atividade (Souza et
al. 2004) e é acompanhada de uma redução de 37% da massa do intestino médio. No
retorno à atividade e retomada da alimentação, há um aumento de três vezes da massa total
do órgão (Nascimento et al. 2007). Em sapos estivantes, a acentuada atrofia do intestino no
período de dormência é seguida de uma recuperação total do órgão, em apenas 36 h após a
realimentação, e ao término deste período o animal responde com um aumento de cinco
vezes da massa intestinal (Cramp & Franklin 2005).
A contribuição relativa de diferentes tecidos para a economia energética na
depressão é variável. O intestino médio, o coração, o fígado e os rins perfazem apenas
cerca de 1/8 da massa corpórea do rato, porém o custo energético de manutenção desses
tecidos é cerca de 25% da taxa metabólica basal. Portanto, a atrofia e/ou redução da
50

Fisiologia, Conservação e Meio Ambiente
atividade destes órgãos na dormência sazonal resulta numa economia energética
importante para os animais. Em contraste, o tecido muscular esquelético em condições de
repouso consome energia a taxas muito reduzidas, porém, por ser o tecido mais abundante
nos vertebrados, sua contribuição total para o metabolismo dos animais é também elevada e
a diminuição da atividade contrátil em animais dormentes representa a principal fonte de
economia energética no estado hipometabólico.
A transição do estado ativo para o estado de dormência envolve uma depressão
coordenada de ambos os processos de produção e de consumo de ATP, de forma a atingir
um novo equilíbrio. A principal economia energética em diferentes grupos de animais é dada
por uma acentuada diminuição das taxas de oxidação de substratos, de forma que as
reservas internas tornam-se suficientes para a sobrevivência no jejum prolongado. Por outro
lado, as taxas dos processos celulares que consomem energia encontram-se reduzidas,
garantindo a manutenção do balanço energético no estado dormente e o pronto
restabelecimento de funções vitais no despertar. A identidade dos processos celulares que
constituem alvo da depressão e o grau de inibição de suas taxas têm sido objeto de intensa
investigação. No rato, assim como em outros vertebrados, a atividade de síntese protéica e
de transportadores de íons representa 48-66% do consumo total de ATP no estado basal ou
de repouso (Figura 2) e estes processos constituem, portanto, importantes alvos de
regulação no jejum e depressão metabólica.
Os mecanismos envolvidos na regulação das taxas de processos celulares incluem
expressão gênica diferencial de proteínas, alterações na taxa de síntese protéica por
inibição da transcrição ou da etapa de tradução (RNAm ‘latente’), regulação do grau de
fosforilação ou de defosforilação de proteínas, com conseqüente ativação ou inativação da
molécula, aumento da meia-vida de proteínas por meio de uma diminuição da taxa de
degradação das moléculas, redução do pH intra-celular com inibição da atividade de
diversas enzimas, manutenção de gradientes iônicos com base na redução do vazamento
de íons através das membranas (‘channel arrest’) e/ou de mudanças na composição lipídica
da membrana mitocondrial levando a uma alteração do vazamento de prótons (Storey &
Storey 2004). Estes mecanismos, no conjunto, promovem uma reorganização do
metabolismo celular e uma inibição das taxas de funções vitais, permitindo a extensão do
limite de tolerância dos animais ao jejum e a sua sobrevivência em condições desfavoráveis
à alimentação.
51

V Curso de Inverno
Consumo de O2
Metabolismo Basal
Mitocondrial
90%
Oxidases
10%
ATP
80%
Vazamento de prótons
20%
Síntese
protéica
Na + K + ATPaseCa + ATPase
19-28% 4-8%
ActMio Uréia
ATPase
2-8% Gliconeo 3%
7-10%
mRNA, outros canais
e bombas, etc.
Figura 2- Esquema geral do consumo de oxigênio no metabolismo basal de ratos, dentro e fora da
mitocôndria, e da proporção do consumo de ATP dada por diferentes processos do metabolismo
celular (baseado em Rolfe & Brow 1997). Do oxigênio consumido pela mitocôndria, 80% é acoplado à
síntese de ATP e 20% é perdido no vazamento de prótons através da membrana mitocondrial interna.
As proporções representam a média do consumo de ATP em diferentes tecidos.
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Revisado por Silvia Cristina Ribeiro de Souza
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V Curso de Inverno
Fisiologia e Conservação das Caatingas
Isabel Cristina Pereira
Laboratório de Ecofisiologia e Fisiologia Evolutiva
belcristina@gmail.com
As caatingas formam um domínio morfoclimático exclusivo do Brasil (Ab’Saber 1974)
ocupando uma área de aproximadamente 800.000 Km 2 , o correspondente a quase 10% do
território nacional, caracterizado por índices pluviométricos baixos, ventos fortes e secos,
além de temperaturas elevadas (Souza Reis 1976, Fernandes 1999), características típicas
de um ambiente semi-árido, com longos períodos de estiagem. O nome Caatinga tem
origem Tupi-Guarani e significa floresta branca, o qual descreve o aspecto do ambiente
durante a estação seca (Peralta & Osuna 1952). Um traço marcante das caatingas é a perda
parcial ou total de folhas durante a estação seca (figura 1). A vegetação é basicamente
composta por cactáceas, bromeliáceas, euforbiáceas e leguminosas, encontradas
praticamente em todo seu domínio. As obras do geógrafo Ab’Saber descrevem diferentes
faces, rochas e solos com origens desiguais neste ambiente. Na sua grande maioria os
solos são rasos e litólicos com afloramentos rochosos. Os solos deste domínio estão
sofrendo processos intensos de desertificação ao longo dos anos, devido à substituição da
vegetação natural por culturas, principalmente através de queimadas e mesmo sob essas
condições apenas 2% do solo está protegido como unidade de conservação (Tabarelli et al.
2000).
Figura 1 – Aspecto da vegetação sem folhas durante a estação seca, em dezembro de 2006, três
meses antes da primeira chuva da estação chuvosa.
54

Fisiologia, Conservação e Meio Ambiente
O'Connor e colaboradores da Universidade de Michigan mostraram dois estudos
sobre o impacto que as alterações ambientais podem causar sobre répteis e anfíbios. Eles
utilizaram modelos biofísicos para predizer a localização de fontes de água, alimentos e do
animal no ambiente. Para isso, combinaram dados micrometeorológicos do ambiente que
foram ligados pela massa e pela equação do balanço termal do organismo, com dados
termais e fisiológicos dos animais. Eles mostraram que no lagarto Sceloperous merriami, do
Texas (EUA) as mudanças climáticas podem influenciar diretamente no sucesso reprodutivo.
Utilizando um extenso trabalho de campo, baseado no modelo de ciclagem de energia
química e termal eles perceberam que o tempo de exposição do animal no ambiente para o
forrageamento está diretamente ligado à previsão da temperatura corpórea do animal. Além
disso, O'Conner e colaboradores estudaram o impacto das alterações de habitat na
atividade e na dinâmica populacional de rãs Rana sylvatica. Neste estudo foi demonstrado
que as rãs são ativas nos períodos chuvosos, mas sob condições de seca, procuram refúgio
para evitar a desidratação excessiva. Dessa forma, esse trabalho sugere que mudanças
ambientais bióticas ou abióticas podem resultar em estresse fisiológico, podendo alterar a
taxa de mortalidade e a dinâmica de uma população (Tracy et al. 2006). Esses fatores
poderiam de certa forma ocorrer durante o atual processo de transformação que é
observado nas caatingas brasileiras e, consequentemente, modificando o cenário atual de
distribuições de espécies nativas.
A caatinga aparentemente pode ser vista como um ambiente inóspito para os
anfíbios anuros. Contudo a anurofauna desta região é bem conhecida (figura 2), sendo
encontradas pelo menos 48 espécies (Rodrigues 2003). Baseado nos ciclos anuais de seca
e chuva, alguns autores têm sugerido que estas alterações sazonais determinam o modelo
do período de atividade para a hepertofauna local, em particular para os anfíbios, que são
estritamente dependentes das condições do ambiente (Abe 1995). Para ectotermos
terrestres mudanças no ambiente e no perfil da temperatura corpórea podem alterar o
balanço energético, devido a alterações no metabolismo energético e na digestão (Henen et
al. 1998 e Somero 2002).
Em certos grupos de animais a sobrevivência durante o período de estiagem está
associada ao comportamento de estivação (Abe 1995, Storey & Storey 1990, Pinder et al.
1992). Estivação pode ser entendida como um conjunto de estratégias adotadas para
sobrevivência em condições áridas, mas esta também pode estar associada com a falta de
alimentação e com altas temperaturas. Esta estratégia comportamental envolve processos
bastante complexos que dependem de precisos ajustes metabólicos a fim de otimizar as
funções do organismo durante os meses mais adversos. Essas mudanças incluem uma
maior dependência do uso de lipídeos e uma baixa taxa de gluconeogênese de glicerol ou
aminoácidos para manter o suplemento de glicose no organismo (Fuery et al. 1998).
Particularmente em anfíbios, a estivação é também caracterizada por uma drástica redução
na respiração cutânea com conseqüente redução da perda de água (Guppy & Withers 1999,
55

V Curso de Inverno
Abe 1995, Guppy et al. 1994, Hochachka & Guppy 1987).
Figura 2 – Alguma das espécies de anfíbios encontradas nas Caatingas. As espécies acima
representadas foram encontradas na região de Angicos/RN durante a estação chuvosa. (A)
Pleurodema diplolistris, (B) Chaunus jimi, (C) Corynthomantis greeningi, (D) Proceratophys cristiceps,
(E) Physalaemus e (F) Phyllomedusa nordestina.
A estivação também é caracterizada pela redução da taxa metabólica, processo
aparentemente desencadeado em resposta a diminuição da disponibilidade de recursos
tróficos, hídricos ou a exposição à altas temperaturas que acompanham a seca, e parece
contribuir para manutenção do balanço energético no organismo como um todo,
promovendo sua sobrevivência durante esta fase (Pinder at al. 1992). Para certos grupos de
animais, o hipometabolismo que acompanha a estivação é tipicamente caracterizado pela
diminuição dos movimentos, da alimentação, dos batimentos cardíacos e da atividade
56

Fisiologia, Conservação e Meio Ambiente
cerebral, (Secor 2005, Storey & Storey 1990, Pinder et al. 1992), assim como parece estar
diretamente associado a importantes modificações nos processos bioquímicos em diversos
tecidos (Hochachka & Somero 1984). Um dos ajustes metabólicos mais visíveis está
relacionado com o acúmulo prévio de reservas energéticas em adição à redução da taxa
metabólica, o que parece sustentar não somente a fase depressiva, mas também a
retomada da atividade durante a re-hidratação (Pinder et al. 1992, Storey & Storey 1990.
No Brasil determinadas espécies de anuros que se mantêm em atividade durante os
meses de estiagem, adotam estratégias alternativas para evitar a perda excessiva de água
neste período. A rã Corythomantis greening, possui a pele da cabeça co-ossificada, esse
animal pode se esconder em pequenos refúgios como fendas em árvores e utilizar sua
cabeça como proteção, uma espécie de tampa, na entrada do esconderijo, o que lhe confere
proteção e auxilia secundariamente na economia de água, ela não se enterra, mas fica entre
fendas nas rochas em estado hipometabólico (Jared et al. 2004). Já os sapos Chaunus jimi
mantém suas atividades mesmo durante a seca, fato que pode estar associado à camada
de grânulos de cálcio (Toledo & Jared 1993), que aparentemente, só não estão presentes na
região dorsal próxima à virilha, local por onde os animais obtêm água do ambiente. Além
disso, estes animais usualmente procuram proteção em microhabitats úmidos e são ativos
apenas à noite quando a temperatura corpórea e as perdas de água são diminuídas (Abe
1995). Alguns outros sapos, como os da espécie Proceratophrys cristiceps, se enterram
durante o período de seca a profundidades que podem atingir mais de 1 metro (Navas et al.
2004); contudo, não se sabe se conhece até o momento a natureza metabólica de tal
comportamento. O fato é que para o sucesso dessa estratégia algumas variáveis físicas no
solo são importantes como a temperatura, a quantidade de água, a concentração de gases
respiratórios e o tipo de solo (Pinder et al.1992). Além disso, os animais enterrados no solo
podem passar por estados sazonais de hipóxia, com conseqüentes implicações
metabólicas. Estes animais devem exibir ajustes comportamentais que favorecem o
aumento na captação da água através da pele (uma vez que anfíbios não bebem água), o
que leva ao aumento do volume da bexiga, habilidade esta desenvolvida para sobreviver em
condições desfavoráveis, quase sempre associadas a formação de uma capa (casulo) para
proteção contra perda de água.
Do ponto de vista celular, alguns mecanismos podem ser identificados na transição
do estado ativo para o hipometabólico em anuros. Rana temporaria, por exemplo, apresenta
uma redução na atividade de enzimas do metabolismo energético no músculo esquelético,
mostrando uma reorganização da produção energética durante a depressão metabólica (St-
Pierre & Boutlier 2001). Já em Bufo paracnemis a diminuição da temperatura corpórea
associada a uma série de respostas fisiológicas à hipóxia contribui para a manutenção da
homeostase do organismo durante a seca ou quando há escassez de alimento (Bicego-
Nahas et al. 2001). Adicionalmente, é reconhecida a capacidade dos anfíbios de tolerarem a
desidratação, chegando estes a suportar uma taxa de até 30% de perda de água do corpo,
57

V Curso de Inverno
enquanto para mamíferos esta taxa chega, no máximo, a 12%. Para sapos do deserto que
estivam, a taxa de desidratação pode chegar a 50%, como visto nos sapos do deserto do
Arizona, que se alimentam por aproximadamente três meses e se enterram pelos outros
nove meses do ano, período no qual eles precisam enfrentar altas taxas de desidratação.
As mudanças ambientais podem afetar o desempenho fisiológico dos animais. O
aquecimento global pode provocar uma mudança no seu desempenho. Ocorrendo o
aumento na temperatura da Caatinga, e conseqüentemente uma diminuição na quantidade
de água disponível, os animais precisarão passar mais tempo em um estado
hipometabólico. Isto provocará uma maior demanda de reservas energéticas a serem
adquiridas durante o período de chuva, todavia, o encurtamento deste período dificulta a
estocagem dessas reservas.
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Revisado por José Eduardo de Carvalho
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V Curso de Inverno
Implicações Ecofisiológicas nos Mecanismos de Adaptação
Celular a Estressores Ambientais
Tiago Gabriel Correia
Laboratório de Metabolismo e Reprodução de Organismos Aquáticos
tigabriel@usp.br
Os organismos aquáticos são constantemente afetados pelos fatores abióticos
(físicos e químicos) do ecossistema ao qual pertencem, sendo assim, situações em que tais
fatores tornam-se agentes estressores são inevitáveis. Diante deste quadro, quando os
mecanismos fisiológicos para a manutenção da homeostase excedem sua capacidade
reguladora, ocorre a manifestação de “respostas extremas” e estresse.
A resposta celular ao estresse está relacionada à proteção do organismo contra
danos provocados pela exposição a uma ampla variedade de potenciais agentes
estressores, como por exemplo, disponibilidade de oxigênio, temperatura, luz ultravioleta,
metais pesados e xenobióticos.
As características estruturais e funcionais de um organismo, em geral, parecem ser
especializadas para aumentar as chances de sucesso no ambiente em que se encontra.
Durante a evolução, o metabolismo celular e conseqüentemente a estrutura e função dos
componentes celulares se adaptaram às condições ambientais e celulares (Portner 2002).
Organismos aeróbios utilizam o oxigênio para uma eficiente produção de energia sob
a forma de ATP, mas durante os processos fisiológicos e metabólicos essenciais para as
células ocorre o surgimento de moléculas altamente reativas chamadas de radicais livres, ou
espécies reativas de oxigênio (ERO), por exemplo, o O2 - e OH - .
O estresse oxidativo (EO) ocorre em circunstâncias nas quais os radicais livres
causam danos às células. Esta situação se manifesta quando surge um desequilíbrio entre o
aumento de radicais livres e as defesas antioxidantes, de maneira que os primeiros sejam
predominantes. Um dos principais mecanismos de lesão nas células é a lipoperoxidação, ou
seja, a oxidação da camada lipídica da membrana celular; além disso, o EO pode gerar
danos as proteínas e ao DNA, provocando diversas alterações na função celular e no
organismo como um todo.
As ERO estão sempre sendo produzidas em pequenas quantidades durante o
metabolismo aeróbio normal, cerca de 2-3%, e é importante destacar que todas as células
apresentam mecanismos para defender-se contra estas moléculas, tais mecanismos de
defesa celular são conhecidos como defesas antioxidantes (Gille & Sigler, 1995). As defesas
antioxidantes podem ser enzimáticas, destacando-se as seguintes enzimas: Catalase (CT),
Superoxido dismutase (SOD) e a Glutationa peroxidase (GPX); e em defesas não
enzimáticas (vitamias A, C, E, β caroteno, entre outras) (Schneider & Oliveira 2004).
Eventos de estresse oxidativo ocorrem quando a molécula de O2 recebe um elétron,
dando origem ao ânion superóxido (O2 - ), que por sua vez, pode-se ligar a dois átomos de
60

Fisiologia, Conservação e Meio Ambiente
hidrogênio (H), dando origem ao peróxido de hidrogênio H2O2 (dismutação), esta reação é
catalisada pela enzima SOD, enquanto que a CT e a GPX são as enzimas que eliminam as
moléculas de H2O2, evitando dessa forma o aumento de radicais hidroxil OH - (YU 1994).
A exposição a xenobióticos pode resultar na diminuição da capacidade do organismo
em manter suas defesas antioxidantes em perfeito funcionamento, o que acarreta em
estresse oxidativo (Sohal et al. 2002). Eventos desta natureza tem sido o cerne de muitos
estudos toxicológicos com organismos aquáticos, pois efeitos podem ser observados nos
processos reprodutivos de muitas espécies, tais como peixes e invertebrados marinhos, e
conseqüentemente, perturbações sobre a estrutura populacional e trófica das comunidades
aquáticas (Livingstone et al. 1992).
Além das enzimas antioxidantes, as células possuem outros mecanismos de
proteção à sua integridade contra estressores tanto naturais como antrópicos. Da mesma
forma que as enzimas antioxidantes, o sistema enzimático P450, as proteínas de choque
térmico (do inglês Heat Shock Proteins, ou HSPs) e o complexo MXR, podem ser utilizados
como biomarcadores para uma ampla variedade de agentes estressores.
O conjunto de proteínas conhecidas como MXR (mecanismo de resistência múltipla a
xenobióticos), ou também conhecido como glicoproteína-P (Pgp), são proteínas de
membrana que transportam ativamente xenobióticos e substâncias tóxicas para o meio
extracelular e impedem que estas se acumulem no interior da célula (Endicott & Ling 1989).
Estas proteínas têm sido encontradas desde microorganismos, a plantas e animais (Higgins
1992); sua importância para os organismos aquáticos tem sido observada pelo seu potencial
em proteger contra danos no núcleo e evitar efeitos negativos sobre a divisão celular
durante o desenvolvimento embrionário (Toomey & Epel 1993). Estas proteínas são
passíveis de ser induzidas por poluentes, o que permite sua utilização como biomarcador
em programas de monitoramento ambiental.
A nível celular, todos os organismos respondem ao estresse com o aumento na
síntese de proteínas de baixo peso molecular, chamadas de proteínas de estresse (HSPs).
Estas proteínas foram observadas pela primeira vez em células de Drosophila melanogaster
expostas a altas temperaturas e ficaram conhecidas como proteínas de choque térmico.
Funcionalmente, atuam como chaperonas e auxiliam a manter a estrutura de outras
proteínas celulares, ajudando no enovelamento, dês-enovelamento e transporte, além de
impedirem que proteínas malformadas se acumulem e possam ser nocivas.
As HSPs (chaperonas) também estão envolvidas no transporte de proteínas para
dentro de compartimentos da célula (organelas, núcleo) garantindo dessa forma que a
conformação apropriada seja mantida (Cohler et al., 1996). O papel destas proteínas é
fornecer proteção, e sua rápida expressão (síntese) está correlacionada a enfrentar eventos
de estresse, por exemplo, térmico, como também de se recuperar deste tipo de estresse.
(Portner 2001). As HSPs estão subdivididas de acordo com seu peso molecular:
HSP90,HSP70, HSP58, HSP20-30 e 8-kDa.
61

V Curso de Inverno
Atualmente sabe-se, que uma ampla variedade de estressores pode induzir o
aumento na síntese destas proteínas, mas além das HSPs, as metalotioneínas podem ser
incluídas como proteínas cuja síntese aumenta na presença de contaminantes metálicos
(Pedersen et al. 1997).
A presença de xenobióticos impõe sobre as células a necessidade de se ativar
mecanismos de desintoxicação, neste caso, as respostas biológicas dependem da
conversão do xenobiótico em uma substância (metabólito) inofensiva, ou com menor
toxicidade (biotransformação) sempre com a finalidade primordial de eliminação do
metabólito resultante. Entretanto, nem sempre os xenobióticos tornam-se inativos, pois
algumas vezes sua toxicidade se eleva (bioativação) podendo-se observar danos ao DNA
(Franco & Franco 2003).
As reações de biotransformação são catalisadas por enzimas distribuídas em todo
organismo. Entre este grupo de enzimas, existem as enzimas microssomais, que se
localizam predominantemente na superfície do retículo endoplasmático liso e constituem as
monoxigenases de função mista, ou o sistema citocromo P450, que possui importantes
funções metabólicas, além de ser aquele que primeiro apreende e inativa vários
xenobióticos no organismo (Franco & Franco 2003).
Os efeitos causados por poluentes e pelas mudanças ambientais afetam muitos
ecossistemas terrestres e marinhos. Estes efeitos, quando persistentes, estendem-se além
das conseqüências de estresse celular e acabam alcançando conseqüências fisiológicas e
ecológicas muitas vezes irreversíveis. A análise de diferentes biomarcadores celulares,
apresentados pelos organismos como resposta a agentes estressores, constitui um elo
importante para a conservação das espécies neste período de profundas mudanças
impostas pelo homem sobre toda a biosfera.
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Revisado por Renata Guimarães Moreira
63

V Curso de Inverno
Efeito do pH em organismos aquáticos
Marina Granado e Sá
Laboratório de Fisiologia de Crustáceos
marinagranado@usp.br
A vida surgiu no planeta há mais ou menos 3,5 bilhões de anos. Desde então, o
ambiente modifica a biosfera. Em função das condições de temperatura e pressão que
passaram a ocorrer na Terra, houve um acúmulo de água em sua superfície, nos estados
líquido e sólido, formando-se assim o ciclo hidrológico.
A importância da água para a vida terrestre é inegável. Não há ser vivo sobre a face
da Terra que possa prescindir de sua existência e sobreviver.
Mesmo assim, outros
aspectos desta preciosidade também podem representar sérios riscos à vida (CETESB).
O desenvolvimento das cidades sem um correto planejamento ambiental resulta em
prejuízos significativos para a sociedade. Uma das conseqüências do crescimento urbano
foi o acréscimo da poluição doméstica e industrial, criando condições ambientais
inadequadas e propiciando o desenvolvimento de doenças, poluição do ar e sonora,
aumento da temperatura, oscilações de pH das águas e contaminação da água subterrânea,
entre outros problemas.
Atualmente, muitos fatores interferem nesse ciclo, comprometendo a qualidade das
águas urbanas. O desenvolvimento e o crescimento das cidades geram o acréscimo da
poluição doméstica e industrial, propiciando o aumento de sedimentos e material sólido,
bem como a contaminação de mananciais e das águas subterrâneas.
As águas residuais transportam uma quantidade apreciável de materiais poluentes
que se não forem retirados podem prejudicar a qualidade das águas dos rios,
comprometendo não só toda a fauna e flora destes meios, mas também, todas as utilizações
que são dadas a estes meios, como por exemplo, a pesca, balneabilidade, navegação e
geração de energia, dentre outros.
O Brasil tem grande potencial para aqüicultura, principalmente por deter recursos
hídricos abundantes, ictiofauna privilegiada e praticamente inexplorada. Também apresenta
um clima favorável ao crescimento da maioria das espécies (Valenti 2000). A condição do
meio em que os organismos vivem é de fundamental importância para que ocorra um bom
desenvolvimento e sobrevivência de peixes cultivados, de modo que deve existir sempre
uma preocupação com a qualidade da água nos tanques de criação e em ambiente aberto
(Tavares 1994).
No cultivo de peixes existem muitos fatores que alteram a qualidade da água, como a
presença excessiva de fitoplâncton, plantas aquáticas e algas, as quais causam redução da
concentração de oxigênio e aumento de CO2 e conseqüente redução de pH (Pavanelli et al
2002). Sendo assim, é de grande importância o estudo da tolerância e sensibilidade dos
animais aos diferentes pHs da água, assim como observar o desempenho dos peixes nestas
condições.
64

Fisiologia, Conservação e Meio Ambiente
A sigla pH vem do latim “pondus hidrogenii”, significando peso do hidrogênio. A
variação do pH (potencial hidrogênio iônico), definido como logaritmo decimal do inverso da
concentração de íons livre de H + , comanda as inúmeras reações químicas das águas,
caracterizando o grau de acidez ou de alcalinidade, ou seja, indicando as relações entre
esses íons de H + com os íons de oxidrilos. Se houver equivalência entre eles, a água é
caracterizada como neutra, mas se houver predominância de íons H + , é ácida e caso
contrário, com o predomínio dos íons oxidrilos, a água é considerada alcalina.
A variação de pH comanda reações químicas da água, caracterizando grau de acidez ou
alcalinidade. Sabe-se que águas com pH inferior a 8.5 (não 7) contêm ácidos fracos e
ácidos minerais fortes. Águas doces alternam-se com pH entre 4 e 8 e as estuarinas de 6 e
8. O pH da água pura é 7 e varia no sentido contrário da temperatura (quanto maior a
temperatura da água, menor pH). Os limites de pH para proteção da vida aquática variam
entre 6 e 8, mas peixes e outros organismos aquáticos podem sobreviver a valores iguais ou
menores que pH 5. Quando o pH se torna ácido, certas substâncias ou elementos metálicos
tornam-se tóxicos, como o metilmercúrio, formado a partir do íon Hg e CH4, em pH restrito,
entre 5 e 6, e logicamente na presença de certas matérias orgânicas.
Por influir em diversos equilíbrios químicos que ocorrem naturalmente ou em
processos unitários de tratamento de águas, o pH é um parâmetro importante em muitos
estudos no campo do saneamento ambiental, já que possui efeito direto sobre o
metabolismo e os processos fisiológicos de peixes e outros organismos aquáticos. A faixa
de tolerância de pH para os peixes está compreendida entre 4 e 9, enquanto que o índice
ideal é entre 6.5 e 8.0 (Wurts & Durborow 1992).
Alterações no pH da água pode afetar o funcionamento branquial, o que prejudica o
equilíbrio osmótico e a respiração. Valores extremos de pH prejudicam o crescimento e a
reprodução dos animais, e até mesmo, podem causar mortalidade massiva dos sistemas
aquáticos, principalmente nas fases iniciais de desenvolvimento (Kubitza 2003). Por outro
lado, o pH também é importante porque afeta a toxicidade de vários poluentes comuns
(como amônia) e metais pesados (como alumínio).
Nas espécies nativas do Brasil pouco se sabe sobre a tolerância às variações na qualidade
da água. O pacu, Piaractus mesopatamicus, encontrado na América do Sul, com
distribuição entre a região Amazônica e bacia Paraná-Paraguai (Severi 1991) é uma espécie
tolerante às variações nas características físico-químicas da água. Habita a bacia
Amazônica e é encontrado em lagos e planícies aluviais que estão muitas vezes hipóxicos
ou mesmo anóxicos. Estes ambientes também estão sujeitos a grandes variações no
conteúdo de CO2/pH devido decomposição de consideráveis quantias de matéria orgânica
em altas temperaturas (Rantin & Kalinin 1996). Segundo Florido (2002) tanto tambaqui
(Colossoma macropomum) quanto o pacu apresentam adaptações morfo-fisiológicas para
suportar águas ácidas, principalmente na época da seca.
65

V Curso de Inverno
Muitos trabalhos confirmam que os efeitos do pH da água em peixes depende da
idade e dos estágios de desenvolvimento; até mesmo a curto prazo a variação do pH pode
influenciar negativamente a população de peixes (Lloyd & Jordan 1964). A tolerância e a
sensibilidade ao pH difere entre as espécies (Daye e Garside, 1997) carpas (Cyprymus
carpio), por exemplo, em pH 8.0 apresentam 11% de mortalidade. Em pH 5.0 ocorrem
mortalidade de 32%, diferente do que foi observado em alevinos de pacu. Com relação à
sobrevivência em águas alcalinas, certas espécies sobrevivem, e inclusive se reproduze, em
locais com pH próximo de 10.0 (Danulat & Selcuk 1992). Quando teleósteos são expostos à
água alcalina, há imediata redução na excreção da amônia, de modo que sua concentração
no plasma sofre aumento (Wilkie & Wood 1996). As brânquias também são as mais
afetadas quando há eventual stress alcalino. Wilkie e Wood (1996), em experimentos com
salmonideos, demonstraram que pH alcalino da água causa sérios distúrbios na excreção e
regulação interna da amônia, balanço ácido-básico e regulação iônica.
Dessa forma, as restrições de faixas de pH são estabelecidas para as diversas
classes de águas naturais, tanto de acordo com a legislação federal (Resolução Conama,
20/06/1986), como pela legislação do Estado de São Paulo (Decreto 8468/76). Os critérios
de proteção à vida aquática fixam o pH entre 6 e 9.
Nos ecossistemas formados nos tratamentos biológicos de esgotos, o pH é também
uma condição que influi decisivamente no processo. Normalmente, a condição de pH que
corresponde à formação de um ecossistema mais diversificado e a um tratamento mais
estável é a de neutralidade, tanto em meios aeróbios como nos anaeróbios. Nos reatores
anaeróbios, a acidificação do meio é acusada pelo decréscimo do pH do lodo, indicando
situação de desequilíbrio. A produção de ácidos orgânicos voláteis pelas bactérias
acidificadoras e a não utilização destes últimos pelas metanobactérias, é uma situação de
desequilíbrio que pode ocorrer devido a diversas causas.
O decréscimo no valor do pH que a princípio funciona como indicador de
desequilíbrio, passa a ser causa se não for corrigido a tempo. É possível que alguns
efluentes industriais possam ser tratados biologicamente em seus valores naturais de pH,
por exemplo, em torno de 5,0. Nesta condição, o meio talvez não permita uma grande
diversificação hidrobiológica, mas pode acontecer que os grupos mais resistentes, algumas
bactérias e fungos, principalmente, tornem possível a manutenção de um tratamento
eficiente e estável. Mas, em geral, procede-se à neutralização prévia do pH dos efluentes
industriais antes de serem submetidos ao tratamento biológico.
Nas estações de tratamento de águas, são várias as unidades cujo controle envolve
as determinações de pH. A coagulação e a floculação que a água sofre inicialmente é um
processo unitário dependente do pH; existe uma condição denominada “pH ótimo” de
floculação que corresponde à situação em que as partículas coloidais apresentam menor
quantidade de carga eletrostática superficial.
66

Fisiologia, Conservação e Meio Ambiente
A desinfecção pelo cloro é outro processo dependente do pH. Em meio ácido, a
dissociação do ácido hipocloroso formando hipoclorito é menor, sendo o processo mais
eficiente. A própria distribuição da água final é afetada pelo pH. Sabe-se que as águas
ácidas são corrosivas, ao passo que as alcalinas são incrustantes. Por isso o pH da água
final deve ser controlado, para que os carbonatos presentes sejam equilibrados e não ocorra
nenhum dos dois efeitos indesejados mencionados. O pH é padrão de potabilidade,
devendo as águas para abastecimento público apresentar valores entre 6,5 e 8,5, de acordo
com a Portaria 1469 do Ministério da Saúde.
No tratamento físico-químico de efluentes industriais muitos são os exemplos de
reações dependentes do pH como por exemplo:a precipitação química de metais pesados
ocorre em pH elevado juntamente coma oxidação química de cianeto e o arraste de amônia
convertida à forma gasosa, já a redução de cromo hexavalente à forma trivalente ocorre em
pH baixo; como também a oxidação química de fenóis ea quebra de emulsões oleosas
mediante acidificação; etc. Desta forma, o pH é um parâmetro importante no controle dos
processos físico-químicos de tratamento de efluentes industriais.
Constitui-se também em padrão de emissão de esgotos e de efluentes líquidos
industriais, tanto pela legislação federal quanto pela estadual. Na legislação do Estado de
São Paulo, estabelece-se faixa de pH entre 5 e 9 para o lançamento direto nos corpos
receptores (artigo 18 do Decreto 8486/76) e entre 6 e 10 para o lançamento na rede pública
seguida de estação de tratamento de esgotos (artigo 19-A do Decreto 8486/76).
Águas piscosas devem apresentar pH acima de 6, porém por volta de 9, iniciam-se
os limites letais para várias espécies. Já as águas tidas como ácidas fazem com que peixes
apresentem aumento da freqüência respiratória, sinal evidente da baixa disponibilidade de
O2, selecionando e fazendo prevalecer espécies persistentes. Variações bruscas de pH
ocasionam morte de larvas de camarão, girinos e alevinos. Em pH 8.3 se observa maior
mortandade de girinos/rãs de até 97% do que em pH 7.2 (10%) e que em águas de pH
menor que 4.2 anormalidades se desenvolver em girinos.
Em sistemas aquáticos o pH varia ao longo do dia e nas diferentes camadas de
liquido, prevalecendo nas superfícies valores elevados. Durante as primeiras horas do dia
os valores de pH são menores, tornando-se mais elevados entre as horas de maior
incidência de sol. Durante a noite o pH volta a declinar. O pH e por extensão a temperatura
e oxigênio dissolvido (o oxigênio proveniente da atmosfera se dissolve nas águas naturais,
devido a diferença de pressão parcial. Este mecanismo é regido pela Lei de Henry, que
define a concentração de saturação de um gás na água, em função da temperatura) estão
intimamente ligados a toxicidade da amônia, ou seja, em pH elevado uma grande
porcentagem da amônia total se converte na forma mais tóxica (não ionizada).
Em pH baixo, menos que 1% da amônia total esta sob a forma não ionizada (NH3);
já com pH 8 cerca de 5 a 9% e, em pH 9 de 30 a 50% estando a 80-90% de amônia
ionizada quando em pH 10. A amônia (NH4) se torna cada vez mais tóxica quanto mais alto
67

V Curso de Inverno
o pH, porém menos estável e mais solúvel. Já a amônia (NH3), (mais tóxica), embora se
formando em baixa concentração, em pH mais baixo é facilmente volatilizável, mas aumenta
sua toxicidade à medida que aumenta o pH (alcalino), podendo então tornar-se altamente
tóxico.
Figura 1: Índices de pH onde ocorre a morte de algumas espécies de peixes mais conhecidas
e estudadas, de crustáceos e moluscos presentes na fauna brasileira.
Figura
2
Em níveis de pH muito altos ou baixos, as enzimas sofrem inativação devido às
inúmeras interações entre as cargas dos aminoácidos de uma proteína, situação que altera
enormemente a estrutura protéica, portanto, a correta alcalinização ou a habilidade de
tamponar um sistema é extremamente importante no processo de oxidação do amoníaco
formado em sistemas aquáticos.
68

Fisiologia, Conservação e Meio Ambiente
Figura 3: Escala de pH onde são pontuados alguns produtos de conhecimento público e
concomitantemente demonstra os efeitos do pH nos organismos aquáticos, onde afeta principalmente
a reprodução dos animais e culmina na morte desses animais.
Peixes expostos à condições de alta alcalinidade (pH>9.5) sofrem severos distúrbios
fisiológicos, incluindo alcalose do sangue, inibição do influxo de Na, desrregulação da
excreção de amônia e redução da velocidade de natação (Wright & Wood 1985) e estes
mesmos autores constataram que o peixe teleósteo Oreochromis alcalicus grahami pode
estar bem adaptado em águas com pH 10, mesmo sendo uma situação atípica. Este peixe
teleósteo é muito estudado em experimentos envolvendo pH, pois é uma espécie que
apresenta alta sobrevivência em ambientes extremamente alcalinos e o estudo em pauta
apresentou que este animal apresenta dificuldades fisiológicas quando habita ambientes de
pH neutro (7.0 e de concentração total de CO2 menor que 1mmol l-1) (Wright et al 1990).
Diversos autores classificam a capacidade de natação como um dos melhores indicadores
de overall a natação, e dessa forma constataram que o peixe em estudo apresentou
dificuldades de natação e redução de velocidade quando transferido para ambiente neutro.
Além dessa redução, houve aumento de acidose metabólica e distúrbios iônicos e de
volume dos fluidos do animal. Mesmo assim consideraram que o animal é capaz de
sobreviver neste tipo de ambiente, mesmo não apresentando seu melhor desempenho.
A acidificação dos fluidos é relacionada com a alteração das taxas de CO2 e de
HCO3, fazendo com que a concentração de íons H seja ampliada em ate 1000 vezes e
concomitantemente à esse aumento há um aumento dos níveis de cloreto. Quando os
animais foram transferidos para um ambiente neutro houve inversão de todos os níveis dos
íons citados anteriormente.
69

V Curso de Inverno
Dessa maneira os autores desenvolveram 2 hipóteses para o aumento do volume
sanguíneo do animal e possivelmente para o volume do fluido extracelular: 1) os níveis das
proteínas plasmáticas reduzem e 2) aparente bloated in águas neutras. As mudanças no
status ácido-base do plasma e em sua composição iônica pode ter afetado as funções
metabólicas dos animais já que essa espécie excreta nitrogênio como uréia (Randall et al
1989) e quando exposto ao ambiente de pH 7.0 a excreção de uréia é completamente
inibida, provavelmente pela inibição do ciclo ornitina-uréia onde há produção de uréia
enquanto que a redução plasmática de HCO3 pode ser resultante da inibição da
metabolismo hepático de uréia (Wood et al 1989; Randall et al 1989).
Já em tilápia a excreção é predominantemente através da amônia, mas durante
exposição alcalina, há aumento da excreção de uréia sem alteração da concentração de
HCO3 plasmático, porém com aumento da concentração de amônia no plasma. Essa
resposta é encontrada em alguns teleósteos amoniatélicos, os quais são capazes de
aumentar ligeiramente a produção de uréia via uricólise em resposta aos elevados níveis de
amônia no organismo do animal (Wood et al 1989; Randall et al 1989).
Em relação à alteração do influxo de Na ainda é pouco estudado, porém o pH ótimo
para tomada de Na em trutas varia de 7.0 a 8.0 e dessa forma há redução do fluxo quando
os animais são expostos em águas ácidas ou alcalinas. Durante os experimentos os autores
encontraram padrão similar na tilápia, porém a ordem de magnitude do influxo de Na é
relativamente menor do que o encontrado nos teleósteos (Olson & Fromm 1971; Wright &
Wood 1985; Randall & Wright 1986).
Dessa maneira fica claro que com variações de pH que os organismos que habitam
ambiente aquático (água doce, salobra ou marinha) sofrem ocorre uma cascata de reações
fisiológicas que podem culminar na morte desses animais, uma vez que alterações durante
curto intervalo de tempo são suportáveis pelos animais, já que muitos deles são
reguladores; no entanto, quando estes organismos são submetidos à ambientes extremos
ocorrer primeiramente uma regulação, porém com longos intervalos de contato com baixos
ou altos pH´s ocorrem alterações que podem ou não ser permanentes e dessa maneira a
seleção natural acaba atuando nas espécies expostas.
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Revisado por Flavia Pinheiro Zanotto
71

V Curso de Inverno
Biomarcadores e sua aplicação na avaliação da
exposição a poluentes
Amanda de Moraes Narcizo
Laboratório de Metabolismo e Reprodução de Organismos Aquáticos
amnarcizo@yahoo.com.br
Considerando as conseqüências do processo de modernização, industrialização, e
mudanças na agricultura nacional a partir da década de 1950, o aumento na emissão de
poluentes na atmosfera, degradação do ambiente pela utilização de recursos naturais e
espaço, e o aumento de novos produtos químicos disponibilizados para o controle de
pragas, doenças, plantas daninhas e aumento de produtividade na agricultura, fez com que
o ecossistema aquático fosse um dos mais afetados por estes processos, pois todos estes
despejos chegam aos corpos d`água quer seja pelas chuvas, escoação ou lixiviação. Isso
tudo associado à falta de tratamento de resíduos líquidos, leva a má qualidade da água,
diminuição da diversidade biológica e proliferação excessiva de espécies indesejáveis
(Amorim 2003; Jonsson e Castro 2005; Rossi 2008).
Diante deste quadro a sociedade moderna tem se preocupado com a
sustentabilidade ambiental. O conceito de sustentabilidade, associado à necessidade de
preservar os recursos ambientais, refere-se a um tipo de desenvolvimento social capaz de
atender às necessidades da geração atual sem comprometer os recursos necessários para
as gerações futuras. Assim, à medida que o ambiente é reconhecido como de extrema
importância para a saúde da coletividade, o conceito de desenvolvimento sustentável se
torna cada vez mais presente no contexto das decisões políticas de saúde ambiental
(Jonsson e Castro 2005).
A saúde ambiental tem como um de seus objetivos a prevenção dos danos à saúde,
à vida e às populações (terrestres e aquáticas). Por isso, processos como o de
monitoramento ambiental, utilizando-se bioindicadores e biomarcadores, propiciam a
implantação de medidas de prevenção e controle, adequadas a cada ambiente e população,
pois muitos destes biomarcadores podem detectar precocemente uma exposição de efeito
adverso e risco a saúde (Amorim 2003).
Desta forma serão apresentados conceitos e concepções que abrangem o uso de
parâmetros biológicos com a finalidade de avaliar a exposição às substâncias químicas e
estimar o risco das populações expostas.
1. Bioindicadores e biomarcadores
Bioindicadores constituem-se em organismos ou uma população de organismos que
nos permitem inferir a qualidade do ambiente ou parte dele através de estudos de alterações
fisiológicas, comportamentais ou de sobrevivência. Já o termo biomarcador é utilizado para
as alterações que são perceptíveis em níveis inferiores de organização biológica, tais como
em componentes bioquímicos ou estruturais celulares (Jonsson e Castro 2005).
72

Fisiologia, Conservação e Meio Ambiente
Segundo Amorim (2003) biomarcadores compreendem todas as substâncias ou seu
produto de biotransformação ou qualquer alteração química precoce, que possa ser
determinado em fluídos biológicos, como forma de avaliação da intensidade de exposição
ou risco a saúde, sendo valiosos indicadores de disfunções orgânicas, alterações clínicas e
toxicidade patológica.
Existem alguns cuidados que devem ser tomados ao se escolher um biomarcador, e
esses cuidados fazem parte do processo de validação do biomarcador, desta forma, é
preciso estabelecer sua relação quantitativa e qualitativa com a exposição em função da
substância química e objeto selecionado.
Por isso é desejável que o biomarcador apresente as seguintes características:
• Sua quantificação deve: refletir a interação (qualitativa ou quantitativa) do organismo
com o agente químico (poluente); ter conhecida e apropriada sensibilidade e
especificidade para a interação e ser reprodutível qualitativamente e
quantitativamente.
• Sua medição analítica tem que apresentar exatidão e precisão adequadas.
• É necessário que esteja contido em um meio biológico acessível de análise,
considerando os processos de manutenção da integridade da amostra entre a coleta
e o procedimento analítico, e de preferência não ser invasivo.
• É necessário que se tenha conhecimento dos valores normais do indicador em
populações não expostas ao agente químico de interesse, levando em consideração
as variações intra e inter individuais.
Os biomarcadores podem ser utilizados para várias finalidades dependendo do
objetivo que se tem no estudo e do tipo de exposição. Por exemplo, podem ser utilizados
para avaliar a exposição detectando-se a quantidade absorvida (dose interna); avaliar o
efeito das substâncias químicas, como um produto metabolito, ausência ou presença de um
produto do processo metabólico; e avaliar a suscetibilidade individual; Em relação ao tipo de
exposição apresentam a vantagem de poderem ser utilizados independentemente da forma
de exposição, podendo ser através da dieta, por contato ou respiração (Amorim 2003).
2. Tipos de biomarcadores
Segundo a World Health Organization (1993) apud Amorim (2003), os biomarcadores
podem ser classificados em três tipos independentemente do objetivo do trabalho e da
aplicação do biomarcador:
• Biomarcadores de Exposição: podem ser utilizados para confirmar e avaliar a
exposição individual ou de um grupo a uma substância em particular,
estabelecendo uma ligação entre a exposição externa e a quantificação da
exposição interna.
73

V Curso de Inverno
• Biomarcadores de Efeito: podem ser utilizados para detectar as alterações de
efeitos adversos ou detectar antecipadamente alterações de risco à saúde
decorrentes da exposição e absorção da substância química. Dessa forma, a
ligação dos biomarcadores entre exposição e efeitos contribui para a
definição da relação dose-resposta.
• Biomarcadores de Suscetibilidade: permitem elucidar o grau de resposta da
exposição provocada nos indivíduos, dada a sua validação anteriormente
A mesma classificação foi dada por Walker e Thompson (1991) quando afirmaram
que os biomarcadores podem ser definidos como uma resposta aos poluentes ambientais
que pode ser mensurada indicando a presença, o efeito, e em alguns casos, o grau de
contaminação.
Para os biomarcadores de exposição entende-se que a dose externa se refere à
concentração do agente químico presente no ambiente em contato com o organismo e a
dose interna corresponde ao nível do agente químico que esta biologicamente disponível.
Assim, a distribuição da substância no organismo pode ser traçada através de vários níveis
biológicos, como tecidos e células, até seu alvo definitivo, como mostra a figura 1.
EXPOSIÇÃO EXTERNA (A)
MEDIÇÃO DA DOSE INTERNA
QUANTIDADE ABSORVIDA
QUANTIDADE ALCANÇA O TECIDO
Quantidade Alcança Célula
Quantidade Alcança Macromolécula
Quantidade Alcança Sítio
Crítico
Dose
BiologicamenteEfet
iva (B)
Figura 1: Distribuição das substâncias químicas de uma exposição em um organismo. Ligação com
os efeitos aumenta em direção a (B) e relação com a exposição aumenta em direção a (A).
(adaptado de Amorim, 2003).
Biomarcadores de efeito são potencialmente as alterações bioquímicas que refletem
a interação da substância química com os receptores biológicos, são muito utilizados para
confirmação de diagnósticos clínicos e prevenção de doenças (Figura 2).
74

Fisiologia, Conservação e Meio Ambiente
A.Q.
Exposição
Dose
Interna
Dose
Biologicamente
Efetiva
Efeito
Biológico
Precoce
Alteração
Estrutural
Funcional
Doença
SUSCETIBILIDADE
Figura 2: Diagrama esquemático dos processos de progressão a doenças por exposição a
agentes químicos (A.Q.) indicando biomarcadores em pontos de prevenção e suscetibilidade
entre as caixas azuis (adaptado de Amorim, 2003).
Alguns pesquisadores classificam os biomarcadores como de exposição ou de efeito,
apresentando cada um o mesmo conceito apresentado pelos autores anteriores, ou seja, um
biomarcador de exposição permite detectar ou quantificar a presença de um xenobionte,
seus metabólitos ou sua associação a componentes celulares ou moleculares do organismo.
A atividade de enzimas antioxidantes e a concentração de metalotioneínas são exemplos
deste tipo de biomarcador. Biomarcadores evidenciam algum efeito tóxico associado à
exposição do organismo ao poluente, como por exemplo, a peroxidação de lipídios ou o
dano de DNA (Domingos 2006; Rossi 2008).
Dentro das classificações apresentadas podem ser feitas subclassificações:
• Como os biomarcadores bioquímicos: exemplo, atividade enzimática e que
dependendo do órgão estudado pode ter nomes referentes ao mesmo como,
biomarcadores de nefrotoxicidade, biomarcadores de hepatoxicidade,
biomarcadores de neurotoxicidade, podendo ser classificados como de exposição
ou de efeito dependendo do fator de avaliação.
• Biomarcador genético: exemplo, ensaio de micronúcleo.
Considerados biomarcadores de efeito.
• Biomarcador morfológico: exemplo, histopatologia.
Considerado biomarcador de exposição (Amorim 2003; Rossi 2008).
3. Exemplos de biomarcadores
A alteração da atividade metabólica de um composto em um organismo e/ou em uma
célula se dá por sua transformação metabólica. O metabolismo inclui vários e diferentes
sistemas enzimáticos que atuam em diversos tipos de substratos. Muitas das enzimas que
compõem estes sistemas têm em comum a função de converter estruturas tóxicas para
menos tóxicas, e converter químicos lipofílicos em estruturas hidrofílicas, que são mais
rapidamente excretadas.
O metabolismo envolve dois tipos de reações bioquímicas conhecidas como
catabólicas e anabólicas. Reações catabólicas envolvem os processos de oxidação,
redução e hidrólise, sendo estes produtos freqüentemente mais reativos e, portanto algumas
vezes mais tóxicos ou carcinogênicos que a substância original, enquanto as reações
anabólicas envolvem conjugação que geram produtos inativos embora haja exceções (Rossi
2008).
75

V Curso de Inverno
3.1. Biomarcadores Bioquímicos
3.1.1. Glutationa S-transferase
A enzima Glutationa S-transferase (GST) é uma enzima que tem função em reações
anabólicas sendo responsável por conjugar componentes eletrofílicos ou componentes
vindos do processo de catabolismo como a glutationa reduzida (GSH) (Van Der Oost et al.
2002).
A GSH é formada pelos aminoácidos glicina, cisteína e glutamato, e atua como cofator
para a GST, devido a este fato a atividade da GST está indiretamente associada ao
estresse oxidativo, pois a utilização deste co-fator também tem relação com a degradação
do peróxido de hidrogênio (H2O2) através da atuação da enzima Glutationa peroxidase
(GPx).
Portanto, a GST pode ser utilizada como biomarcador para taxas anabólicas e pela
sua relação indireta com os processos de estresse oxidativo exige outros biomarcadores
para este fim (Van Der Oost et al. 2002; Rossi, 2008).
3.1.2. Catalase
A catalase é uma enzima intracelular, encontrada no peroxissomo, e tem a função de
remover o peróxido de hidrogênio (H2O2), metabolizando-o em oxigênio (O2) e água (H2O) e
por isso, é considerada um importante biomarcador (Van Der Oost et al. 2002).
O peróxido de hidrogênio é uma espécie reativa de oxigênio (ERO), que assim como
os radicais livres são formados durante o metabolismo oxidativo e de xenobiontes, no
entanto, sob condições normais nosso organismo possui enzimas antioxidantes capazes de
reparar 99% dos danos causados pela oxidação. Quando há um desequilíbrio entre a
produção das espécies reativas de oxigênio e sua retirada pelo sistema de defesa
antioxidante, permitindo um excesso das ERO, ocorre então, um processo denominado
estresse oxidativo (Rossi 2008).
O estresse oxidativo é uma condição celular ou fisiológica de elevada concentração
de ERO que causa danos às estruturas celulares, inativações de enzimas, peroxidação
lipídica (LPO), danos de DNA, até a morte celular (Vancini et al. 2005).
Muitos contaminantes ambientais (ou seus metabólitos) têm sido relatados por
causar estresse oxidativo, portanto, a detecção da atividade de enzimas antioxidantes e a
quantificação de componentes não enzimáticos são biomarcadores adequados para estas
situações sobre os efeitos da oxidação e suas respostas adaptativas (Van Der Oost et al.
2002).
3.1.3. Acetilcolinesterase
Existem dois tipos de colinesterases (ChE), as acetilcolinesterases (AChE) que são
as de alta afinidade pela acetilcolina e as butirilcolinesterases (BChE) aquelas de baixa
afinidade pela acetilcolina (Walker e Thompson 1991; Sturm et al. 2000).
76

Fisiologia, Conservação e Meio Ambiente
As ChE são importantes nas funções neurais, tendo as AChEs função na
desativação da acetilcolina na fenda sináptica, evitando o estímulo contínuo do neurônio, o
que é vital para o funcionamento normal do sistema sensorial e motor. Em peixes somente
AChE foi encontrada no cérebro, enquanto no músculo ambas são encontradas. A AChE é
um biomarcador muito utilizado para diagnosticar a exposição a tóxicos anticolinesterásicos
em peixes (Payne et al. 1996; Sturm et al. 2000; Rossi 2008).
3.1.4. Vitelogenina em peixes
A vitelogenina (Vg) é uma lipoglicofosfoproteína, produzida no fígado sob a ação do
hormônio estradiol, é essencial para formação de oócitos e para o desenvolvimento do
embrião.
O estradiol é produzido nos ovários de fêmeas sob a ação do hormônio folículo
estimulante (FSH) (Baldisserotto 2002), por isso, em condições normais do ambiente
somente as fêmeas apresentam Vg, entretanto, machos e animais imaturos sexualmente
possuem toda a maquinaria genética para sintetizar a Vg, desta forma a detecção da Vg
neste grupo de animais é comumente utilizada como biomarcador de esteróides
xenobióticos.
3.1.5. Micronúcleo Písceo
Micronúcleos são caracterizados pela condensação de fragmentos cromossômicos
acêntricos ou por cromossomos inteiros que não foram incluídos no núcleo principal durante
a anáfase. Assim, o teste para a avaliação do micronúcleo é uma ferramenta qualitativa
importante nos estudos da genética toxicológica, pois evidencia danos no DNA e quebra
cromossômica, sendo muito utilizados como um sensível método para examinar a exposição
de peixes a agentes genotóxicos (Al-Sabti 1991; Rossi 2008).
3.2. Histologia de Brânquias
Através da análise morfológica e de efeitos em estruturas celulares e tecidual é
possível identificar o potencial tóxico de um contaminante sobre um organismo. Uma análise
histológica pode revelar a sensibilidade do organismo em relação ao agente químico, o
tempo de exposição, quais os órgãos mais afetados, além de permitir a diferenciação de
lesões causadas por doenças daquelas causadas por outros fatores ambientais como a
exposição a poluentes (Domingos 2006; Rossi 2008).
Sendo assim, a histologia de brânquias é comumente utilizada como um importante
biomarcador em peixes, já que essas estruturas estão em contato direto e constante com a
água do meio, por desempenhar a função de respiração. Para a realização das trocas
gasosas há a exposição de um sistema de capilares à água, o que torna o tecido branquial
extremamente vulnerável em relação ao meio ambiente, como partículas de sedimentos,
parasitas e xenobióticos (Rossi 2008).
77

V Curso de Inverno
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Revisado por Renata Guimarães Moreira
78

Fisiologia, Conservação e Meio Ambiente
Hormônios esteróides e disruptores endócrinos
Juliane Suzuki Amaral
Laboratório de Metabolismo e Reprodução de Organismos Aquáticos
jusuzuki@usp.br
Os hormônios esteróides são pequenas moléculas derivadas do colesterol
universalmente encontradas em cordados e artrópodes. Em ambos os filos, os esteróides
são requerimentos absolutos para o desenvolvimento, manutenção da homeostase e
reprodução (Young et al. 2005).
Em vertebrados adultos, três tipos de hormônios esteróides que afetam a reprodução
(os estrógenos, andrógenos e progestágenos) são produzidos em momentos apropriados
em células especializadas na produção dos mesmos, nas gônadas e no córtex adrenal de
ambos os sexos. Estas células expressam uma série de enzimas esteroidogênicas que
modificam o colesterol em seus esteróides derivados. Os esteróides sexuais, assim como os
outros hormônios esteróides, ligam-se a receptores intracelulares e modificam a expressão
de genes específicos.
Os esteróides sexuais agem diretamente no desenvolvimento de células
germinativas e nas glândulas acessórios e órgãos, assim como atua na modificação do
comportamento, para assegurar que a reprodução ocorra. Embora muitos esteróides sejam
quimicamente idênticos na maioria das classes de vertebrados, seu papel pode diferir em
funções especializadas.
1. Controle Endócrino da Reprodução em Vertebrados
O controle endócrino da reprodução nos vertebrados responde ao estímulo sensorial
de várias partes do corpo que agem sobre o eixo hipotálamo-hipófise-gônadas, culminando
com a síntese dos esteróides gonadais.
Nos mamíferos, a produção e secreção dos esteróides gonadais tanto em machos
quanto em fêmeas são promovidas pelo hormônio folículo estimulante (FSH) e pelo
hormônio luteinizante (LH) que são sintetizados na hipófise anterior ou adenohipófise. De
uma forma geral o controle da reprodução poderia ser sintetizado da seguinte forma: nas
fêmeas adultas, estímulos sensoriais captados por diversas partes do corpo estimulam o
hipotálamo a produzir o hormônio liberador de gonadotropinas (GnRH). Este por sua vez
estimula a adenohipófise a secretar o hormônio folículo estimulante (FSH). O FSH chega
aos ovários, promovendo a síntese de 17β-estradiol, convertendo o colesterol à
testosterona, que é transportada à camada granulosa, onde é aromatizada a 17β-estradiol
pela enzima aromatase, também sob influência do FSH. Os altos níveis de 17β-estradiol,
característico do período que antecede a ovulação, ativa o hipotálamo e a adenohipófise a
produzir o hormônio luteinizante (LH). O FSH acelera a maturação dos folículos em
desenvolvimento onde apenas um folículo completa sua maturação e, sob influência do LH,
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V Curso de Inverno
se rompe da superfície do ovário, liberando o ovo. O folículo rompido transforma-se num
tecido endócrino temporário, o corpo lúteo, que secreta estrógeno e progesterona. A
progesterona estimula a secreção do líquido endometrial, preparando-o para a implantação
de um ovo fertilizado. Na ausência de fertilização e implantação do ovo, o corpo lúteo
degenera-se e a secreção de estrógenos e progesterona diminui precipitando a
menstruação. Se o ovo fertilizado for implantado no endométrio, a placenta em
desenvolvimento começa a produzir gonadotropina coriônica, cuja ação é similar ao LH, que
induz novo crescimento do corpo lúteo ativo, de modo que a secreção de estrógeno e
progesterona continua. O FSH e LH hipofisário não são secretados novamente até o parto
(Randall et al. 2000).
Em peixes, o controle endócrino do ciclo reprodutivo em fêmeas é modulado por
fatores ambientais que agem sobre o hipotálamo, conduzindo à secreção de GnRH, e sobre
a hipófise, resultando na produção e liberação de GtHs (gonadotropinas) na corrente
sanguínea. Estas, por sua vez, chegam aos ovários, promovendo a síntese dos esteróides
gonadais (Peter & Yu 1997). As funções dos esteróides gonadais são diferenciadas quando
comparado aos mamíferos e serão discutidas a seguir.
Em peixes imaturos, os hormônios gonadais geralmente estimulam a diferenciação
sexual e nos maduros, estimulam a gametogênese e a desova ou espermiação
(Baldisserotto 2002).
O 17β-estradiol age no fígado, estimulando a síntese de vitelogenina, lipoproteína
que promove crescimento no oócito e incorporação de vitelo. A entrada de vitelogenina no
oócito ocorre por micropinocitose e é também dependente da presença de FSH.
Um aumento nos níveis plasmáticos de 17β-estradiol e testosterona ocorre na fase
de vitelogênese. Estes níveis elevados induzem a produção de LH (Kobayashi et al.1989). O
LH estimula a teca do folículo a produzir 17α-hidroxiprogesterona, que é transportada à
camada granulosa e convertida a 17α-20β dihidroxiprogesterona conhecido como o
hormônio indutor da maturação final e da ovulação na maioria dos teleósteos.
Em machos adultos, o controle da síntese de esteróides é semelhante ao das
fêmeas. FSH e LH estimulam a esteroidogênese testicular e espermatogênese, sendo os
andrógenos testosterona e 11-ceto-testosterona produzidos pelas células de Leydig e
células de Sertoli nos testículos. Ambas gonadotropinas estimulam além da produção de
andrógenos, os progestágenos, principalmente a 17α-20β-dihidroxiprogesterona, sendo esta
última produzida em maior quantidade pela ação da LH (Cyr & Eales 1996).
2. Esteroidogênese e Principais Enzimas Envolvidas
Todos os esteróides de vertebrados são sintetizados a partir do colesterol, uma
molécula de 27 carbonos. O colesterol é sintetizado a partir do acetato (acetil CoA)
produzido pela glicólise ou via oxidação dos ácidos graxos.
80

Fisiologia, Conservação e Meio Ambiente
A síntese do núcleo esteróide a partir do acetato é chamada esteroidogênese e
envolve uma série de reações catalíticas enzimáticas. O colesterol sintetizado do acetato
pode ser usado diretamente na biossíntese de vários hormônios esteróides, mas não pode
ser degradado de novo em acetato. A maioria do colesterol é sintetizada no fígado e é
liberado no sangue como lipoproteínas. Córtex adrenal, ovários e testículos também podem
sintetizar colesterol, mas utilizam preferencialmente complexos lipoprotéicos absorvidos pelo
intestino ou sintetizados no fígado como fonte de colesterol (Norris 1997).
Para a produção das diferentes classes de esteróides gonadais, o colesterol passa
por subseqüentes conversões pelas três enzimas pertencente à superfamília do citocromo
P450. A primeira enzima, citocromo P450scc (P450 side-chain cleavage) está localizada na
membrana mitocondrial interna e converte o colesterol em pregnenolona. A produção de
pregnenolona pela P450scc é limitada à disponibilidade do colesterol. Uma proteína
transportadora é necessária para transportar o colesterol através da membrana mitocondrial
onde se encontra a enzima P450scc. Em mamíferos, essa proteína foi isolada pela primeira
vez em 1994 por Clark et al. (1994) e foi chamada de proteína regulatória esteroidogênica
aguda ou StAR (Young et al. 2005).
O transporte do colesterol para a membrana mitocondrial é um pré-requisito para
esteroidogênese gonadal e adrenal para a produção do esteróide basal, a pregnenolona. A
pregnenolona por sua vez, serve como substrato para a enzima citocromo P450 17-
hydroxylase (P450C17). A P450C17 possui duas atividades enzimáticas: catalisa a hidroxilação
da pregnenolona para 17α-hidroxipregnenolona e a subsequente remoção de dois resíduos
de carbono, originando o andrógeno dehidroepiandrosterone (com uma dupla ligação entre
o carbono 5 e 6) ou androstenediona (com uma dupla ligação entre o carbono 4 e 5) (Young
et al. 2005).
Pregnene-, androstene-, e estrene-derivativos podem ser modificados mais adiante
em outros esteróides por uma série de hidroxilases, redutases, oxiredutases e isomerases.
As enzimas 3β-hidroxiesteróide desidrogenase (3βHSD) e 17β-hidroxiesteróide
desidrogenase (17βHSD) merecem atenção por promover importantes oxiredutases na
síntese de esteróides bioativos (Young et al. 2005).
Em vertebrados mamíferos, a testosterona é o hormônio efetivo nas respostas
reprodutivas em machos enquanto que 17β-estradiol, um subproduto da testosterona
convertida pela enzima P450 aromatase (P450arom), é o hormônio efetivo em fêmeas. A
progesterona é um produto intermediário na síntese de testosterona e 17β-estradiol e
também possui ação efetiva em fêmeas na fase lútea do ciclo ovariano.
Em fêmeas de peixes, a enzima 20β-hidroxiesteróide desidrogenase (20βHSD) leva
à formação de 17α-hidroxiprogesterona para 17α20β-dihidroxy-4-pregnen-3-one (17α20βP),
o esteróide indutor da maturação (MIS). Esse é o hormônio efetivo da maturação final dos
oócitos e ovulação em peixes. Gônadas de machos e de algumas fêmeas de teleósteos
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V Curso de Inverno
também produzem um único e potente andrógeno chamado 11-cetotestosterona (11-KT)
sendo este efetivo na espermatogênese. A síntese desse composto é feita pela enzima
citocromo P450 11β-hidroxilase (11β-HSD) a partir da testosterona (Young et al. 2005).
3. Mecanismos de Ação dos Esteróides
Esteróides podem passar através de membranas celulares e interagir com
receptores intracelulares. Estes receptores geralmente estão no citosol de células alvo para
corticosteróides e no núcleo para estrógenos, andrógenos e progestágenos. O modelo
original da ação dos hormônios esteróides foi proposto por Elwood Jensen em 1970.
Embora o modelo precise de uma revisão considerada, as características básicas são ainda
válidas (Norris 1997).
Estrógenos e andrógenos são capazes de produzir efeitos celulares de mecanismos
similares. Uma vez que os esteróides entram em suas células alvo, eles difundem-se para o
núcleo onde se ligam a receptores específicos. Uma vez ligado ao receptor, conduz fatores
de transcrição, ligando-se em elementos específicos de resposta hormonal (hormoneresponsive
elements HREs) ou em sítios no DNA e inicia uma nova síntese de RNAm.
Uma vez que o receptor é ocupado, ele é fosforilado formando um dímero antes de se ligar
ao HRE associado com a região promotora do gene. Uma segunda fosforilação ocorre
depois de se ligar ao DNA. A síntese resultante de novas proteínas pelas células alvo traz
eventos clássicos associados com a ação desses hormônios (Norris 1997).
4. Disruptores Endócrinos
As substâncias que poluem os ecossistemas e de alguma forma alteram o sistema
endócrino dos animais são conhecidos como Endocrine Disrupting Chemicals
(substâncias disruptoras ou desreguladoras endócrinas).
Os termos estrógenos ambientais, disruptores endócrinos, moduladores endócrinos,
hormônios ambientais, xenoestrógenos, fitoestrógenos, também servem para descrever
sintéticos químicos e componentes de plantas e animais naturais que podem afetar o
sistema endócrino (mensageiros bioquímicos ou sistema de comunicação das glândulas,
hormônios e receptores celulares que controlam o funcionamento interno do corpo) de
vários organismos. Muitos dos efeitos causados por essas substâncias têm sido associados
com o desenvolvimento, reprodução e outros problemas de saúde ao longo da vida dos
animais (Toppari et al. 1996).
As águas continentais encontram-se impactadas por uma grande variedade de
poluentes cujas fontes principais são os efluentes líquidos de origem doméstica e industrial
que muitas vezes não recebem o tratamento adequado. A enorme diversidade e
complexidade destes poluentes resultam em efeitos biológicos diversos. Tais efeitos e
conseqüências estão relacionados com a composição química de cada poluente despejado
no ambiente aquático e da interação entre ambos (Zagatto & Bertoletti 2006).
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Fisiologia, Conservação e Meio Ambiente
As vastas categorias químicas dos poluentes aquáticos se expressam de maneiras
diferentes dependendo do tipo de ambiente (dulcícola, marinho, estuarino), e além disso, os
efluentes aquáticos contêm mais de um contaminante, que pode resultar em interações
toxicológicas com possíveis efeitos sinérgicos, antagônicos, de potenciação ou de adição
(Mozeto & Zagato 2006).
O exato modelo de ação de todos os disruptores endócrinos não é bem
compreendido, mas sabe-se que esses componentes podem alterar as funções hormonais
em diferentes níveis:
1) Mimetizando total ou parcialmente os hormônios naturais pela ligação aos receptores ou
influenciando padrões de sinalização celular.
2) Bloqueando, impedindo e alterando a ligação dos hormônios em seus receptores ou
influenciando padrões de sinalização celular.
3) Alterando a produção e a quebra de hormônios naturais.
4) Modificando a produção e função de receptores hormonais.
Os disruptores endócrinos são no mínimo parcialmente responsáveis por disfunções
reprodutivas e desenvolvimento das populações selvagens, e ambos vertebrados e
invertebrados são suscetíveis à ação dos disruptores endócrinos. Em peixes, esses incluem
mudanças hormonais (esteróides e hormônios da tireóide), desenvolvimento gonadal
anormal, baixa viabilidade dos gametas, alterações em algumas atividades enzimáticas
(aromatase) e concentrações de proteínas (vitelogenina, proteínas da zona radiata).
Disrupções na reprodução de peixes podem ser ocasionadas pelo estrógeno
ambiental por promover uma grande síntese de receptores de estrógenos (ER). O gene para
a produção de ER está presente nos machos, mas geralmente não são estimulados devido
à quase completa ausência do estradiol endógeno. A síntese de ambas as moléculas como
a vitelogenina e proteína da zona radiata, exclusivas em fêmeas na fase reprodutiva, foram
detectadas em machos expostos aos xenoestrógenos, assim como também foi notada uma
redução no crescimento testicular. Essas substâncias não têm função em machos, e as
conseqüências diretas da síntese de vitelogenina e proteína da zona radiata podem
promover redução de cálcio na escama e esqueleto, hipertrofia do fígado e dano no rim
(Goksǿyr et al. 2003). Eles também representam uma substancial perda de energia para os
peixes machos, afetando o desempenho reprodutivo. Em fêmeas, o efeito da exposição aos
xenoestrógenos pode ser menos sério, embora haja relatos de maturação prematura em
linguados (Solea solea), que pode ter ocorrido em decorrência da exposição ao estrógeno
com a produção inapropriada de gonadotropinas, causando desenvolvimento precoce do
ovário (Goksǿyr et al. 2003).
Estrógenos e seus análogos sintéticos são capazes de agir como agonistas
completos dos ER, e essas substâncias podem ser ainda mais potentes do que os
hormônios naturais, mas o estrogênio ambiental contaminante é somente agonista parcial e
são centenas a dez mil vezes menos potente do que os hormônios naturais. Isso é devido
83

V Curso de Inverno
ao fato de que se assemelham parcialmente com a estrutura tridimensional dos estrógenos
verdadeiros e então se encaixa imperfeitamente ao receptor. Poucas moléculas mimetizante
de estrógenos realmente engatilham a cascata dos efeitos estrogênicos, na qual
normalmente resulta da exposição estrogênica e então os efeitos globais são alterados.
Entretanto, contaminantes ambientais antiestrogênicos podem agir como
antagonistas fracos nos ER, se ligando irreversivelmente, bloqueando a ação natural dos
agonistas estrogênicos, enfraquecendo a ação do hormônio.
Duas formas diferentes de ER têm sido identificadas em mamíferos e possivelmente
mais formas ocorrem em outras espécies de peixes. Um ER testicular possui maior
afinidade do que o ER do fígado para estrógenos e xenoestrógenos, mostrando que tecidos
diferentes podem então ter diferente suscetibilidade à disrupção endócrina.
Os possíveis efeitos dos disruptores endócrinos em alguns vertebrados marinhos,
como os predadores de topo de cadeia trópica, representam uma preocupação séria,
principalmente em áreas como o Mar Mediterrâneo, caracterizado pelo alto impacto de
contaminantes e troca limitada de água. Neste ambiente peculiar, os predadores de topo de
cadeia trófica, como peixes pelágicos e mamíferos marinhos tendem a acumular grandes
quantidades de contaminantes organoclorados e metais pesados. Os níveis desses
compostos no golfinho riscado (Stenella coeruleoalba) são da ordem de magnitude de 1-2
maior do que nos golfinhos da mesma espécie do Atlântico e do Pacífico. Isso demonstra
que espécies importantes para o ecossistema aquático como os predadores de topo estão
potencialmente “em risco” devido aos disruptores endócrinos contaminantes (Goksǿyr et al.
2003).
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Revisado por Renata Guimarães Moreira
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V Curso de Inverno
Efeitos do represamento sobre a fisiologia de organismos aquáticos
com ênfase na reprodução de peixes teleósteos.
Renato Massaaki Honji
Laboratório de Metabolismo e Reprodução de Organismos Aquáticos
honjijp@usp.br
A Terra possui em torno de 510x10 6 Km 2 de superfície terrestre, dos quais 310x10 6
Km 2 são cobertos pelos oceanos, além disso, uma pequena fração dessa superfície (se
comparado com os oceanos) é coberta por rios, lagos, calota e gelo polar. Com base nesses
dados, aproximadamente 71% da superfície da Terra são cobertos por água e, neste
sentido, o ambiente aquático oferece assim mais espaço habitável se comparado com o
ambiente terrestre (Moyle & Cech 2003).
Quando nos referimos aos habitantes encontrados no ambiente aquático, lembramos
rapidamente dos teleósteos (peixes ósseos). Os peixes em geral são os representantes
mais numerosos e diversos entre os vertebrados, contando com aproximadamente 50%
deste grupo (Figura 1a). São conhecidas cerca de 28000 espécies viventes de peixes que
ocupam os mais diversos ambientes aquáticos, ocorrendo desde as altas altitudes até as
fossas submarinas dos oceanos. Em relação à sua distribuição, 58% são marinhos, 41%
são dulciaqüícolas e 1% vivem entre esses dois ambientes, ou seja, essas espécies
realizam migrações entre o ambiente marinho e o ambiente de água doce (Figura 1b). Além
da importância como fonte alternativa de alimento, os peixes também constituem uma rica
fonte de material biológico que podem ser utilizados como modelos para entender os
controles dos processos biológicos (Wooton 1990; Nelson 1994; King 1995; Blázquez et al.
1998; Moyle & Cech 2003).
Desta maneira, com esse grande número de espécies existentes, a constantes
descobertas de novas espécies e a distribuição mundial, esse sucesso do grupo é atribuído
a uma série de adaptações fisiológicas, anatômicas, morfológicas, comportamentais entre
outras características relacionadas aos processos de respiração, nutrição, osmorregulação,
flutuação, percepção sensorial e reprodução (Hoar 1969; Wooton 1990; Vazzoler 1996;
Moyle & Cech 2003; Zavala-Camin 2004). Em relação à reprodução, os peixes são ótimos
exemplos da complexidade reprodutiva, com as diferentes formas anatômicas observadas
nas gônadas entre as espécies; as diferentes formas de liberação dos gametas para a
fertilização externa (como por exemplo, a desova total ou a desova parcelada);
desenvolvimento de diferentes órgãos especializados para a fertilização interna (gonopódio,
por exemplo); as diferentes formas de cuidado com a prole (guardadores e não guardadores
de ovos e larvas); além das diferentes formas de construções de ninhos e a migração
reprodutiva, seja na forma de “piracema” ou daquelas longas migrações entre os mares e os
rios e vice-versa, que são acompanhadas por grandes alterações osmóticas e metabólicas
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Fisiologia, Conservação e Meio Ambiente
(Wooton 1990; Vazzoler 1996; Hochachka & Somero 2002; Moyle & Cech 2003; Zavala-
Camin 2004).
Figura 1: (A) Representação esquemática da diversidade de espécies de vertebrados existentes.
Detalhe da porcentagem de espécies de peixes (em torno de 50%). (B) Representação
esquemática da distribuição de peixes considerando-se os diferentes tipos de ambiente (marinho e
dulciaqüícola). Espécies diádromas, são animais que migram entre o ambiente marinho e
dulciaqüícola (em torno de 1%). Adaptado de: Wooton, 1990; Nelson, 1994; Moyle & Cech, 2003.
No Brasil, grande parte dos peixes dulciaqüícolas de valor comercial são
representadas pelas espécies migradoras (reofílicas), ou seja, são peixes que durante um
determinado período (que pode variar entre as espécies), realizam migrações ao longo do
rio e vencem obstáculos naturais (corredeiras e cachoeiras), para se reproduzir (Lucas &
Baras 2001; Baldisserotto & Gomes 2005). A migração é necessária para o desenvolvimento
das gônadas (ovários e testículos), maturação dos gametas e posterior desova, e o sucesso
reprodutivo em espécies migradoras fica prejudicado quando estes animais são impedidos
de migrar. Esse problema ocorre freqüentemente, em decorrência de bloqueios no percurso
natural dos rios (reservatórios) ou no confinamento em viveiros de cultivo.
Apesar da indiscutível importância desses reservatórios, também são incontestáveis
os problemas associados a estas interrupções no curso natural dos rios. Os reservatórios
são, por outro lado, recentes e suas comunidades mostram notáveis alterações estruturais
em relação às que lhes deram origem, ou seja, as de um sistema fluvial com história
evolutiva distinta. Verifica-se durante o processo de colonização a depleção de algumas
populações, para as quais novas condições são restritivas, e a explosão de outras, que têm
no novo ambiente condições favoráveis, geralmente transitórias, para manifestar o seu
potencial de proliferação. Entre as espécies de peixes, a depleção populacional afeta
principalmente as de maior porte, geralmente de hábito migratório, alta longevidade e baixo
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V Curso de Inverno
potencial reprodutivo. Já a proliferação massiva é constatada entre as espécies de pequeno
porte, sedentárias, com alto potencial reprodutivo e baixa longevidade (r-estrategistas), para
as quais a disponibilidade alimentar é elevada (Agostinho et al. 1999; Agostinho & Gomes
2005).
No sentido de minimizar os impactos causados pelos reservatórios, a aqüicultura
mundial demonstra-se como uma fonte alternativa de produção de alimento devido ao
crescimento populacional descontrolado, obrigando o homem a procurar recursos
alimentares alternativos para sanar os problemas relacionados à fome. Em 2004, a
produção total da aqüicultura, incluindo peixes, crustáceos e plantas aquáticas foi estimada
em 30 milhões de toneladas, sendo que, 51% dessa produção total é representada pela
maricultura, 43% pela produção dulciaqüícola e 6% são representados pela produção
estuarina. Levando em consideração toda essa produção mundial, o principal grupo utilizado
na aqüicultura é formado pelos peixes (Borghetti et al. 2003; FAO 2006).
Ainda que, portador do maior número de espécies ícticas do mundo, a produção
aqüícola brasileira está baseada principalmente no cultivo de espécies exóticas, como por
exemplo, carpas, tilápias e trutas, sendo as espécies nativas produzidas em menor escala.
Além da produção de alimentos, a aqüicultura brasileira possui grande importância
na preservação das espécies ameaçadas de extinção, devido ao cultivo dessas espécies em
cativeiro e posteriormente, na instalação de programas de repovoamento em áreas
impactadas. Ao analisar a Lista Nacional das Espécies de Animais Ameaçadas de Extinção,
pode-se constatar a presença de várias espécies de peixes em situações críticas, sendo que
uma inversão nesse quadro só é possível com base em programas adequados de
repovoamento, que só podem atingir algum sucesso quando as técnicas de reprodução e
produção são dominadas. Adicionalmente, sabe-se que o sucesso no cultivo de uma
espécie só é obtido com o conhecimento da biologia dessa espécie e, em especial da
biologia reprodutiva.
A reprodução em peixes, apesar de ser modulada por fatores ambientais, como por
exemplo, a temperatura, o fotoperíodo nas espécies de clima temperado e possivelmente a
temperatura e as chuvas nas espécies de clima tropical, é controlada endogenamente por
um sistema endócrino, principalmente pelo eixo hipotálamo-hipófise-gônadas, que sintetiza
e libera gonadotropinas, esteróides gonadais e hormônios moduladores do processo
reprodutivo entre outras substâncias (Weltzien et al. 2004; Kawauchi & Sower 2006). Esse
processo ocorre naturalmente com o desenvolvimento das gônadas, maturação, liberação e
fertilização dos gametas, sendo que em geral, em peixes, a desova e a fertilização ocorrem
no ambiente externo. Os ovos fertilizados originam embriões e posteriormente larvas, que
crescem e se tornam adultos, reiniciando o ciclo.
Neste contexto, todo o controle endócrino deve ser alterado de alguma forma,
quando espécies migradoras são transferidas para o cativeiro, em operações de cultivo,
pois, neste ambiente confinado, os peixes reofílicos (peixes de piracema) não conseguem
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Fisiologia, Conservação e Meio Ambiente
eliminar os seus gametas de forma natural. Neste caso, intervenções hormonais exógenas
em determinados níveis do eixo hipotálamo-hipófise-gônadas são necessárias para dar
continuidade ao processo de maturação gonadal. Assim, demonstra-se a importância de
estudar o controle fisiológico do eixo-hipotálamo-hipófise-gônadas nas espécies nativas,
ainda pouco investigadas.
1. Fisiologia da reprodução em peixes (eixo hipotálamo-hipófise-gônadas)
Em geral, a fisiologia da reprodução em peixes pode ser sintetizada da seguinte
forma (Nagahama 1994; Peter & Yu 1997; Blázquez et al. 1998; Weltzien et al. 2004;
Lethimonier et al. 2004; Guilgur et al. 2006; Honji 2007; Honji et al. 2008): a partir do
momento em que a idade e o peso mínimo são atingidos para o início da reprodução,
alterações ambientais como o fotoperíodo, a temperatura e, possivelmente as chuvas, são
captadas através dos olhos, pineal, narinas e receptores cutâneos, que as convertem em
sinais eletroquímicos e, são transmitidos via neurônios sensoriais até o hipotálamo. Os
fatores ambientais citados estimulam o hipotálamo a sintetizar e liberar o hormônio liberador
de gonadotropinas (GnRH), que estimula as células gonadotrópicas na hipófise a sintetizar e
liberar o hormônio folículo estimulante (FSH), que via corrente sangüínea chega às camadas
foliculares dos oócitos em desenvolvimento e na camada teca, converte o colesterol em
testosterona. Esta é transportada à camada granulosa, na qual é aromatizada a 17βestradiol
pela enzima aromatase, também sob influência do FSH. O 17β-estradiol age no
fígado (via corrente sangüínea), estimulando a síntese da glicolipofosfoproteína
(vitelogenina) que, também via corrente sangüínea, é “seqüestrada” pelo oócito por
micropinocitose (processo dependente de FSH), promovendo o crescimento do oócito e
incorporação de vitelo.
A detecção da vitelogenina, como precursora do vitelo protéico tem sido
intensamente pesquisada nas últimas décadas, desde a síntese de 17β-estradiol como
produto de ação no fígado até estudos com enfoques ambientais, como por exemplo, os
disruptores endócrinos que são compostos que podem afetar o sistema endócrino e assim
toda a fisiologia reprodutiva. Os machos de teleósteos também possuem o gene para
vitelogenina, entretanto, o mesmo não é expresso devido ao baixo nível de estradiol
circulante, podendo ser expresso em raras situações, como por exemplo, na exposição dos
indivíduos aos poluentes com ação estrogênica (Moncaut et al. 2003).
Na fase de vitelogênese, que é um processo pelo qual o citoplasma do oócito
acumula substâncias de reservas para posterior utilização pela larva, ocorre um aumento
nos níveis plasmáticos de 17β-estradiol e testosterona e esse aumento inibe a síntese de
FSH (feed back negativo) e juntamente com a ação do GnRH estimulam a secreção
hipofisária do hormônio luteinizante (LH) nas fases finais dessa vitelogênese. O LH estimula
a camada teca do folículo a produzir 17α-hidroxiprogesterona, que é transportada à camada
89

V Curso de Inverno
granulosa e convertida a 17α,20β-dihidroxy-4-pregnen-3-one ou 17α,20β-21-trihidroxy-4-
pregnen-3-one pela enzima 20α-hidroxiesteróide-desidrogenase, dependendo da espécie
considerada (Nagahama 1994; Mylonas et al. 1997; Peter & Yu 1997; Blázquez et al. 1998).
O hormônio 17α-20β-dihidroxy-4-pregnen-3-one é conhecido como o hormônio indutor da
maturação final e da ovulação (MIS) na maioria dos peixes.
Nos machos, o controle da síntese de esteróides é semelhante ao das fêmeas. FSH
e LH estimulam a esteroidogênese testicular e espermatogênese, sendo os andrógenos,
testosterona e 11-cetotestosterona produzidos pelas células de Leydig no tecido intersticial
dos testículos, sendo, esses hormônios gonadais os mais importantes no desenvolvimento
do testículo e das características sexuais secundárias nos machos (Grier 1980; Pudney
1995; Cyr & Eales 1996; Haider 2004; Parenti & Grier 2004).
A Figura 2 apresenta um resumo funcional do eixo hipotálamo-hipófise-gônadas na
reprodução de peixes teleósteos.
De uma forma geral, apesar do eixo hipotálamo-hipófise-gônadas ser responsável
pelo controle endócrino da reprodução em peixes, como visto anteriormente, o
conhecimento da fisiologia deste eixo para as espécies nativas ainda é bastante escasso.
Os mecanismos fisiológicos que levam ao bloqueio da reprodução em peixes reofílicos
(peixes de piracema) quando estes são impedidos de migrar, por exemplo, quando ocorre à
construção de barragens ou quando são transferidos para o cativeiro em operações de
cultivo, ainda não são bem compreendidos. Zohar & Mylonas, (2001) sintetizam três tipos de
disfunção endócrina observadas na reprodução de espécies de peixes migradoras. O
primeiro problema e o mais severo ocorre em enguias (Anguilla anguilla), nas quais a
vitelogênese e a espermatogênese falham completamente quando os reprodutores são
mantidos em cativeiro. A segunda disfunção é a ausência da maturação final nos oócitos e o
último problema é a falha na desova ao final do ciclo reprodutivo. Para as espécies
nacionais a disfunção que ocorre normalmente é a ausência da maturação final dos oócitos
(migração da vesícula germinativa) e o seu motivo ainda não está claro.
Neste contexto, considerando-se que as espécies de peixes de piracema, quando
são impedidas de migrar, apresentam um bloqueio na reprodução, fica evidente, que a
construção de reservatórios nos rios brasileiros causa grandes impactos no ciclo de vida dos
peixes reofílicos, principalmente nos aspectos relacionados à fisiologia reprodutiva. Este
bloqueio, como mencionado anteriormente, também é observado nas espécies de peixes de
piracema quando transferidas para o cativeiro (piscicultura) em operações de cultivo. Assim,
nesta obra é apresentado de modo sucinto e discutido de forma preliminar o conhecimento
disponível acerca do estado de arte da fisiologia da reprodução de peixes, impactos a que
algumas espécies estão sujeitas pelos represamentos e a importância dos estudos de
fisiologia da conservação na preservação de espécies ameaçadas. Pretende-se ainda, com
esta obra, fornecer subsídios às discussões sobre o tema, sem a pretensão de fazê-lo de
90

Fisiologia, Conservação e Meio Ambiente
modo completo, visto que a maioria das informações disponíveis tem caráter disperso e
provisório.
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V Curso de Inverno
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Revisado por Renata Guimarães Moreira e Maria Inês Borella
92

Termodinâmica e Complexidade em Sistemas Biológicos
Capítulo 3
Termodinâmica e
Complexidade em Sistemas
Biológicos
Autores:
Breno Teixeira Santos
José Eduardo Natali
Fernando Marques
Vitor Hugo Rodrigues
93

V Curso de Inverno
94

Termodinâmica e Complexidade em Sistemas Biológicos
Termodinâmica e Complexidade em Sistemas Biológicos
Algumas Definições:
Breno Santos
Laboratório de Fisiologia Teórica
Antes de começarmos nossa discussão sobre termodinâmica e complexidade em
sistemas biológicos precisamos, primeiramente, estabelecer duas definições: a definição de
complexidade e a definição de sistema, começando pela segunda delas. Vamos observar
definições de sistema advindas de mundos (aparentemente!) muito distintos.
“A system is a combination of components that act together and perform a certain objective.
A system is not limited to physical ones. The concept of the system can be applied to
abstract, dynamic phenomena such as those encountered in economics. The word system
should, therefore, be interpreted to imply physical, biological, economics, and the like,
systems.”
Ogata, K., Modern Control Engineering
“... system is defined as a unit by the relations between its components which realize the
system as a whole, and its properties as a unity are determined by the way this unity is
defined, and not by the particular properties of its components.”
Varela, F. G., Maturana, H. R. e Uribe, R., Autopoiesis: The Organization of Living Systems,
Its Characterization and a Model
Podemos perceber então, que as ciências exatas e as ciências biológicas possuem
um denominador comum a respeito da definição do termo sistema; é um conjunto de partes
as quais estabelecem relações entre si. Se podemos reduzi-lo à soma de suas partes
constituintes, ou se apresenta as chamadas propriedades emergentes, isso é discussão
para outra hora e local!
E quanto à complexidade? O senso comum chama de simples os sistemas que,
aparentemente, possuem um ou poucos objetos e ações constituintes. Imagine um mol de
um gás às CNTP, em equilíbrio, encerrado em uma caixa de 1cm³. Isso é um sistema
simples ou complexo? Muitos diriam que é um sistema simples, pois não percebemos
nenhuma atividade coordenada ou forma de dinâmica, esse sistema “não faz nada” nem “vai
para lugar algum”. Porém perceba que estamos falando de, nessas condições, 6,023 x 10²³
moléculas de gás, comportando-se individualmente (dado que a interação entre elas ocorre
em escalas de angstroms), ou seja, estamos falando do que Boltzmann chamou de caos
95

V Curso de Inverno
molecular. Complexo ou não? Observemos o seguinte trecho escrito pelo físico Murray Gell-
Mann (grifos meus):
“As measures of something like complexity for an entity in the real world, all such quantities
are to some extent context-dependent or even subjective. They depend on the coarse
graining (level of detail) of the description of the entity, on the previous knowledge and
understanding of the world that is assumed, on the language employed, on the coding
method used for conversion from that language into a string of bits, and on the particular
ideal computer chosen as a standard.”
Gell-Mann, M., What is Complexity?
O que Gell-Mann quer nos dizer é que uma medida de complexidade está
intimamente conectada a idéias sobre informação. Na teoria da informação proposta por
Shannon, uma seqüência de bits aleatória é a que possui a maior quantidade de informação.
Ouvir o chiado (“random sequence”) de um rádio mal sintonizado lhe traz alguma
informação? Não. Porém o chiado começar ou parar sim. Vejamos o que diz Russel
Standish:
“Random sequences have maximum complexity, as by definition a random sequence can
have no generating algorithm shorter than simply listing the sequence. ..., this contradicts the
notion that random sequences should contain no information.”
Standish, R. K., On Complexity and Emergence.
No capítulo intitulado Informação, será apresentado o conceito de Informação
Pragmática, que está ligado ao fato de que, se algo é informativo, é informativo para alguma
entidade e deve, portanto, causar mudanças de estado nessa entidade.
A imensa maioria dos sistemas complexos se apresentará na forma de sistemas nãolineares
e muitos desses serão ainda, sistemas com memória, ou seja, o passado (os
valores de suas variáveis em instantes anteriores ao presente), interfere no estado atual do
mesmo. O modelo teórico utilizado para descrever o sistema deverá levar isso em conta
além de outras duas características, se o sistema é de tempo contínuo ou discreto e a
parâmetros concentrados ou distribuídos. Vejamos o que Steven Strogatz nos diz a respeito:
“... a linear system is precisely equal to the sum of the parts. But many things in nature don’t
act this way. Whenever parts of a system interfere, or cooperate, or compete, there are
nonlinear interactions going on. Most of every day life is nonlinear, and the principle of
superposition fails spectacularly.”
Strogatz, S. H., Nonlinear Dynamics and Chaos.
96

Termodinâmica e Complexidade em Sistemas Biológicos
Dessa maneira, se estamos interessados em modelar matematicamente sistemas
biológicos, teremos que estar preparados para lidar com fenômenos não lineares como, por
exemplo, saturações e crescimentos ou decaimentos exponenciais, para citar dois
extremamente simples! No mesmo livro, Strogatz apresenta a tabela, figura 1, abaixo.
Observe que os modelos de sistemas biológicos mais simples se inserem em sistemas
lineares com muitas variáveis ou sistemas não lineares com duas variáveis sendo que, a
imensa maioria de fenômenos, reside após a fronteira dos sistemas não lineares com muitas
variáveis!
Ruído, Caos e Fractais
Toda a medida realizada em um sistema está sujeita à presença de ruído, seja ele
ruído térmico (inerente às oscilações térmicas dos elétrons que compõem a matéria) do
próprio sistema, ou dos instrumentos de medida ou, ainda, o ruído de quantização quando
digitalizamos dados ao passá-los para um microcomputador. Portanto, como é possível
discernir entre ruído e comportamento caótico? Essa é uma pergunta bastante complicada
e, ainda hoje, se procuram métodos para responder essa questão de maneira definitiva, se é
que isso será possível (ao menos no que tange a medidas experimentais). Todo ruído
térmico, também chamado ruído branco ou ruído Gaussiano, é definido através de uma
distribuição normal de probabilidades mas muitas séries temporais caóticas também o são.
O aparecimento de caos na dinâmica de um sistema está vinculado a:
- imprevisibilidade: o conhecimento do estado do sistema durante um tempo arbitrariamente
longo não permite predizer, de maneira imediata, sua evolução posterior.
- espectro contínuo de freqüências: a energia do sistema está igualmente distribuída ao
longo de diferentes freqüências. Essa característica indica comportamento aperiódico.
- invariância de escala: não importa a escala em que se observe o fenômeno (pense nisso
como um zoom) a estrutura hierárquica do mesmo apresenta características de autosimilaridade.
- estacionariedade: grosso modo, embora aperiodicamente, os padrões tendem a repetição.
Todas essas características estão associadas ao que chamamos de dependência
sensitiva às condições iniciais (DCI). O caos determinístico é essencialmente devido à DCI.
Essa dependência resulta das não-linearidades presentes no sistema, as quais amplificam
exponencialmente pequenas diferenças nas condições iniciais do sistema. Isso foi
97

V Curso de Inverno
observado por Edward Norton Lorenz, matemático e meteorologista que, quando
trabalhando com previsão do tempo no exército norte americano durante a II Grande
Guerra, observou que o resultado dos cálculos de seu modelo de movimentação do ar na
atmosfera eram sempre diferentes a cada vez que ele os computava em seu computador
analógico (sim, analógico!!!). O problema era que a impressão de seus resultados estava
limitada a uma determinada quantidade de casas decimais e quando ele utilizava esses
dados truncados para uma nova computação (ou seja, usava-os como novas condições
inicias, levemente diferentes das anteriores devido ao truncamento) o resultado era
absurdamente diferente. Isso ficou então conhecido como efeito borboleta, e a figura 2, o
atrator de Lorenz, ganhou o mundo.
Figura 1: Onde os sistemas biológicos se inserem, retirado de [Strogatz, 1994].
Temos então ainda um novo conceito a ser esclarecido, o conceito de atrator.
Imagine que uma bolinha será colocada na superfície apresentada na figura 3. Dependendo
da posição inicial da bolinha e se a mesma foi apenas colocada ou foi impulsionada em
alguma direção, ninguém duvidaria que a bolinha, em algum momento, irá parar dentro de
algum dos poços da figura. Após ela parar seu movimento dentro de algum desses poços,
ela nunca mais sairá de lá a menos que lhe seja cedida energia de alguma forma. Pois bem,
os fundos dos poços são o que chamamos de atratores. Se algo estiver próximo o suficiente
desse atrator e se esperarmos o tempo necessário, esse algo irá se dirigir ao atrator.
98

Termodinâmica e Complexidade em Sistemas Biológicos
Figura 2: O atrator de Lorenz.
Figura 3: Poços de potencial são atratores pontuais.
Mas isso é bem diferente do que podemos observar na figura 2, isso porque o atrator
apresentado lá é de outro tipo, chamado atrator estranho. Perceba que, embora o sistema
não evolua para um determinado ponto, ele está confinado em um determinado volume e no
caso de um sistema dissipativo (ou seja, um sistema no qual a energia interna do mesmo vai
sendo perdida através de alguma ineficiência do processo), esse volume se tornará cada
vez menor. Para que exista uma DCI é necessário um atrator estranho e, sistemas
determinísticos que apresentam evolução temporal que conduz assintoticamente a atratores
99

V Curso de Inverno
estranhos, apresentam dinâmica caótica. Os fundos dos poços, tendo em mente o espaço
euclidiano tridimensional representado (X, Y e Z ou largura, altura e profundidade), são na
verdade pontos (mais matematicamente, uma tríade (x, y, z)), portanto possuem dimensão
menor (um ponto tem dimensão 0) do que a do espaço no qual estão incluídos. Um atrator
sempre terá dimensão menor do que a do espaço que o contém, caso contrário ele seria o
próprio espaço e, portanto, poderíamos “passear” livremente sem necessariamente
convergir para nenhum lugar restrito do mesmo. Observando novamente o atrator de Lorenz
e sem nenhum rigor matemático, percebemos que esse atrator é “maior do que um ponto,
maior do que uma reta, mas menor do que uma superfície”. Estamos nos aproximando do
conceito de fractal, ou melhor, dimensão fractal. Vamos a um exemplo mais simples, porém
altamente elucidativo. Observe a figura 4 que mostra geometricamente a maneira de se
construir um conjunto de Cantor. Para termos um conjunto de Cantor tome a barra inicial e
divida-a em três partes iguais. Agora jogue fora o terço central e repita o mesmo processo
para os dois terços restantes e assim por diante.
Figura 4: O conjunto de Cantor.
Para n muito grandes, teremos uma nuvem de pontos que possui dimensão maior do
que a de um único ponto, porém, obviamente, menor do que a de uma reta, ou seja, o
conjunto de Cantor tem dimensão maior que 0 e menor do que 1! Utilizando processos que
não iremos descrever aqui (para maiores detalhes consulte nas bibliografias sugeridas o
assunto: algoritmos de contagem de caixas – box counting algorithms), calculamos que a
dimensão do conjunto de Cantor é 0,63! Estamos lidando com entidades que possuem
dimensão não inteira e, para tanto, Benoît Mandelbrot cunhou o termo fractal que vem do
latim fractus que significa quebrado, fraturado. Agora, com uma definição um pouco
melhorada do que vem a ser uma dimensão fractal, podemos dizer que atratores estranho
possuem dimensão fractal, como o atrator de Lorenz.
Na figura 6 temos um outro famoso fractal, o conjunto de Mandelbrot. Observe, nas
miniaturas, que mostram zooms cada vez maiores, que a invariância de escala é marcante.
100

Termodinâmica e Complexidade em Sistemas Biológicos
Existem diversos exemplos de dimensão fractal na biologia, a ramificação dendrítica neural,
a superfície pulmonar, a ramificação arterial, a superfície interna das cristas mitocondriais,
microvilosidades intestinais e acoplamento entre osciladores (disparo de neurônios ou canto
de animais, por exemplo).
Biologia e Sistemas Complexos
Sistemas biológicos são inerentemente complexos, pois, mesmo o mais simples
deles, possui um grande número de partes constituintes cujas interações levam a
comportamentos coletivos complicados. Esse conjunto de interações e a existência de uma
hierarquia funcional e estrutural tornam os sistemas biológicos não-lineares. Quando um
sistema é reconhecidamente não-linear não podemos, por exemplo, utilizar o princípio de
superposição para estudá-lo. Esse princípio rege que, sendo o sistema linear, é possível
estudar as respostas de cada parte e combiná-las de forma a obter sua resposta, ou seja,
sua dinâmica evolucionária global. Portanto, a esperança de Newton e seus
contemporâneos em serem capazes de prever a dinâmica de qualquer sistema, dado o
conjunto completo de suas condições iniciais e de todas as interações entre as partes, foi
inútil. Isso foi percebido pelos cientistas dos séculos XVII e XVIII ao se depararem com a
impossibilidade de criar uma descrição analítica para o problema do movimento de três
corpos sob interação da lei da atração gravitacional (sim, apenas 3!).
No século XIX, Boltzmann e seus contemporâneos obtiveram resultados que
demonstravam que era possível prever o comportamento médio de um sistema que fosse
constituído por partículas idênticas com fraca interação entre si. Nasciam as leis da
Termodinâmica, baseadas nas descrições estatísticas das partes microscópicas do sistema.
Mas nem os princípios aplicáveis aos sistemas lineares, nem as leis da Termodinâmica, são
capazes de descrever de maneira completa os sistemas complexos, principalmente nos
quais as interações não são fracas.
Antes que possamos partir para uma tentativa de clarificar de que forma podemos
então estudar um sistema complexo, já que aparentemente nada visto até aqui se presta a
isso, precisamos de dois conceitos bem estabelecidos, calor e entropia (detalhes mais
formais serão vistos nos próximos capítulos). Vamos tentar definir esses dois termos de
forma termodinâmica e intuitiva. Quando dizemos “estou morrendo de calor” não estamos
utilizando o termo “calor” como definido pelos físicos. Calor é o processo espontâneo de
transferência de energia térmica entre dois corpos de temperaturas diferentes e ocorre
sempre do corpo mais quente para o corpo mais frio. Benjamin Thompson, enquanto
ocupava a superintendência de broqueamento de canhões, nas oficinas do arsenal militar
em Munique, percebeu que trabalho mecânico e calor eram ambos formas de transferência
de energia. Lembre que trabalho mecânico se calcula como o produto entre uma força e o
deslocamento sofrido pelo corpo. Devido ao atrito entre a ferramenta de corte e o cobre do
101

V Curso de Inverno
corpo dos canhões; trabalho mecânico, tem-se o aumento de temperatura do cobre
(perceba que se transmitiu energia, sem transferência de calor). As aparas metálicas então,
com temperaturas elevadas, eram capazes de iniciar o processo de ebulição da água (agora
temos calor transferindo energia térmica das aparas, mais quentes, para a água, mais fria).
Figura 6: Detalhes do conjunto de Mandelbrot.
Entropia, S, foi definida inicialmente por Rudolph Clausius e sua variação, dS, pode
ser calculada, pra um processo reversível, como a variação de calor, dQ (calor transferido
ou recebido) dividido pela temperatura T, do sistema durante essa transferência de calor.
Portanto, se tivermos uma variação de entropia nula, isso significa que cessou o processo
de transferência de energia térmica, ou seja, lembrando do que Thompson observou,
102

Termodinâmica e Complexidade em Sistemas Biológicos
cessou nossa capacidade de realizar trabalho. Assim, podemos encarar a entropia de um
sistema como uma medida de sua capacidade de realizar trabalho.
Munidos desses novos conceitos podemos ver que evolução temporal em física, está
ligada à aproximação do equilíbrio térmico, ou seja, a incapacidade de realizar trabalho e,
portanto, a eliminação de não-uniformidades nas variáveis macroscópicas que caracterizam
o sistema. Porém, biologicamente falando, evolução está associada a aumento de
complexidade, organização e especialização. Nas últimas décadas tem-se recorridos às
teorias de auto-organização para explicar a dinâmica dos sistemas complexos. Essas
teorias mostram que para um dado valor crítico de um parâmetro de ordem, valor esse que
pode ser atingido devido às flutuações aleatórias internas ao sistema, amplificam-se
interações entre partes que disparam um processo auto-organizante. Ou seja, o sistema
será auto-organizante se for capaz de adquirir espontaneamente uma estrutura de natureza
funcional, temporal e/ou espacial, demonstrada pelo surgimento de uma coerência de longo
alcance entre as variáveis do sistema. Um exemplo de estruturas auto-organizantes são
micelas, como a camada bi-lipídica da membrana celular e os lipossomos. Existem, então,
sistemas capazes de operar de forma a não evoluírem da maneira como prevê a
termodinâmica clássica, são sistemas regidos pela termodinâmica fora de equilíbrio, um
ramo da ciência bastante desenvolvido por Ilya Prigogine. O fato é que as leis da
termodinâmica garantem que a entropia total do universo está sempre aumentando e,
portanto, utilizando todo o universo como o nosso sistema o mesmo tende a tornar-se
homogêneo. Como então explicar a existência dessas “ilhas de ordem”? Um sistema só
pode diminuir ou manter estável sua entropia às custas de aumentar a entropia do meio
externo. Só conseguimos nos manter vivos graças a degradação dos alimentos que
ingerimos, ou seja, nossa organização em detrimento do aumento de entropia do pé de
alface, do boi, do refrigerante, que agora não passam de um aglomerado de moléculas.
Conclusões:
Apesar de superficial, essa pequena introdução ao mundo dos sistemas complexos
mostrou a enorme aplicabilidade dessa teoria para o estudo dos sistemas biológicos que
são, na sua maioria absoluta, sistemas regidos por dinâmicas não lineares. Durante a
evolução temporal desses sistemas podemos passar por dinâmicas caóticas, sincronização,
“edge of chaos”, ou seja, estudar esses sistemas com as técnicas aplicadas a sistemas
lineares e, muitas vezes admitindo-os no equilíbrio (ou muito próximos deles) pode nos levar
a conclusões nebulosas sobre o seu funcionamento. Cada vez mais estamos observando
que a biologia não pode mais evoluir sem unir forças com outros ramos do conhecimento
como matemática, física e engenharia o que pode, no futuro, culminar em teorias gerais da
biologia.
103

V Curso de Inverno
Para saber mais:
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Revisado por José Guilherme de Souza Chauí Matos Berlinck
104

Termodinâmica e Complexidade em Sistemas Biológicos
Primeira Lei da Termodinâmica
José Eduardo Natali
Laboratório de Fisiologia Teórica
O surgimento da termodinâmica está ligado ao crescimento das cidades e a
descoberta do “novo continente” nos séculos XV e XVI. Esses acontecimentos provocaram
uma grande expansão do comércio de mercadorias, o qual não conseguia mais ser suprido
apenas pelo trabalho artesanal. Nesse contexto, surgiu a máquina a vapor, desenvolvida por
Watt entre 1765 e 1769, que permitia transformar a energia química do combustível em
energia térmica, e essa, em trabalho mecânico; revolucionando assim os meios de produção
e transporte. A termodinâmica surgiu da necessidade de entender o funcionamento das
maquinas térmicas, e suas duas leis foram fundamentais nesse entendimento (Brush, 1966
apud Monteiro & Piqueira, 2000).
A primeira lei da termodinâmica foi sugerida independentemente por vários cientistas
entre 1842 e 1847, mas o crédito é normalmente atribuído a Joule e Mayer (Brush, 1983
apud Monteiro & Piqueira, 2000). Podemos entender melhor sua formulação a partir de um
exemplo simples. Se levarmos em conta que temos um sistema genérico (um gás contido
em uma caixa com um pistão), ele pode trocar calor (Q) ou trabalho (W) com seu entorno
(Figura 1). Podemos imaginar que a troca de calor ocorrerá se o gás estiver em uma
temperatura maior que o ambiente, perdendo parte dessa grandeza física para o ambiente;
por sua vez se o gás for capaz de levantar o pistão ele estará realizando trabalho no meio
externo (lembrando que nos dois casos o contrário também é possível). Historicamente o
trabalho era medido em unidades mecânicas (força x metro ou joule) e o calor em unidades
térmicas (caloria).
W
Sistema
Q
Figura 1 – Exemplo de um sistema com trocas de calor e trabalho.
A primeira lei da termodinâmica surgiu a partir da observação de que existia uma
proporcionalidade entre a troca de calor e o trabalho realizado, ou seja, no nosso sistema
hipotético, se aquecêssemos o gás deveríamos ter uma ascensão proporcional do pistão.
105

V Curso de Inverno
Atualmente, sabemos que tanto o trabalho quanto o calor são medidas de troca de energia
do sistema, e que aquela proporcionalidade é na verdade uma igualdade.
Além de calor e trabalho, existem outras formas de energia (E), cuja unidade no
Sistema Internacional de Unidades é joule (J), associadas às mudanças de estado que
também estão contidas na primeira lei da termodinâmica. Isso pode ser evidenciado pois,
caso não existisse o pistão no exemplo acima, uma transferência de energia térmica para o
sistema iria contra a conservação de energia imposta pela primeira Lei. O que ocorre nesse
caso é uma mudança de estado do sistema associada às mudanças em outras formas de
energia como: a energia cinética (EC), a energia potencial (EP) e energia interna (U) uma
forma de energia do sistema que não está associada a um sistema de coordenadas. Essa
diferença quer dizer que temos algumas energias associadas com a posição do sistema (EC
e EP), e outras que são totalmente independentes (U). Existem ainda outras formas de
energia, como elétrica ou química, que não levaremos em conta para facilitar o
entendimento.
Temos então que:
(1)
Sendo que:
Para m=massa,
=velocidade, g = gravidade e Z=distância em relação a um plano
de referência. Aqui fica clara a dependência dessas duas energias de um sistema de
coordenadas, já que energia potencial depende da altura, e a cinética da velocidade, e
consequentemente da posição. Por exemplo, para calcularmos a energia cinética de um
carro, devemos saber sua velocidade em relação a uma referencial, o mesmo acontece para
calcularmos a energia potencial, devemos saber a altura em relação a um plano de
referência. Por outro lado, para sabermos a energia térmica (temperatura) de um corpo não
precisamos de nenhuma informação em relação a sua posição, ou seja, não importa onde
ele está.
Assim podemos reescrever a primeira lei da termodinâmica para uma mudança de
estado da seguinte maneira:
(2)
106

Termodinâmica e Complexidade em Sistemas Biológicos
Verbalmente, essa equação estabelece que energia pode cruzar a fronteira de um
sistema na forma de calor e trabalho, e que a transferência líquida de energia será igual a
variação líquida da energia do sistema, que ocorre por mudanças na energia cinética,
potencial e interna. Podemos tirar dessa formulação que a quantidade total de energia é
sempre conservada, o que ocorre é a transição entre suas diversas formas.
Enquanto as reais implicações da segunda lei da termodinâmica em sistemas
biológicos ainda são um pouco obscuras e motivo de estudo, a contribuição da primeira lei é
natural. No ponto em que estamos, ninguém mais acredita que a energia que utilizamos
p a r a
d e s e m p e n h a r
n o s s a s
atividades vitais
surja espontaneamente do nada. Sabemos que o trabalho necessário para realizarmos
atividades físicas, a energia térmica dos endotérmicos ou ainda a energia associada à
movimentação do líquido no sistema circulatório são provenientes da energia interna de
moléculas orgânicas que os animais ingerem. Todas essas são transições entre formas de
energia que obedecem à conservação de energia.
O exemplo do sistema circulatório é bem interessante para analisarmos outra
formulação da primeira lei, quando analisamos um trecho de uma artéria com influxo e saída
de sangue, passamos a ter outro problema, nesse caso temos a entrada e saída de matéria
(e energia associada a ela) na região que estamos estudando (Figura 2). Chamamos esse
tipo de situação, que permite a entrada e saída de massa, de volume de controle.
Entrada
Q
W
Q
W
Saída
We
Ue
ECe
EPe
Ws
Us
ECs
EPs
generalizado.
Figura 2 – Balanço das energias que entram e saem de um segmento de artéria
Nesse caso, continuamos a ter troca de trabalho e calor na fronteira do volume
analisado, porém passamos a ter uma entrada e saída de matéria, que por sua vez traz e
leva consigo energia (cinética, potencial, interna e trabalho).
107

V Curso de Inverno
A potencia associada a esse escoamento (a notação de um ponto em cima do
parâmetro, indica estamos interessados na variação do trabalho no tempo) pode ser definido
como uma força multiplicada por um deslocamento:
Se multiplicarmos por
ficamos com:
Como
e
Temos que:
Sendo
, ou seja, estamos observando o trabalho por unidade de massa, ficamos com:
(4)
Ou seja, a potencia associado ao escoamento pode ser calculado pela multiplicação
da pressão pelo fluxo de líquido, por unidade de massa. Se considerarmos agora as outras
formas de energia envolvida temos que a energia total associada ao escoamento, por
unidade de massa, é dada por:
(5)
Nesse momento é importante definir uma outra propriedade termodinâmica. Quando
analisamos tipos específicos de processos muitas vezes combinações de propriedades
aparecem recorrentemente, isso faz com que seja interessante nomear uma nova
propriedade que facilite o entendimento do assunto, sem deixar de apresentar as
características originais. No caso de processos que envolvem fluxos em volumes de
controle, frequentemente lidamos com a soma (como visto na equação 5), tornandose
conveniente definir uma nova propriedade, dependente da massa, chamada entalpia (h):
108

Termodinâmica e Complexidade em Sistemas Biológicos
(6)
Juntando a equação (5) com a (6) temos que:
(7)
Agora que sabemos a energia associada ao escoamento, podemos definir a primeira
lei da termodinâmica para volumes de controle. Para isso, sabemos que ela varia com o
calor e trabalho trocado (equação (3)), e também com a energia associada ao fluxo que
entra e sai (equação (7)). Temos assim que:
(8)
Sendo que o sobrescrito “v.c.” se refere á volume de controle, “e” a energias
associadas a entrada de matéria e “s” a energias associadas a saída de matéria. Essa forma
da primeira lei define que a variação da energia é dada pelo taxa líquida de transferência de
calor, pela taxa líquida da realização de trabalho e aos fluxos de energia nas fronteiras do
volume de controle.
A grande questão que fica é qual a contribuição disso para o sistema circulatório. O
ponto é que isso tudo é o sistema circulatório, ou pelo menos o cerne do que o faz funcionar.
O sangue só circula porque temos no coração uma grande bomba, que coloca entalpia no
sistema, levando a uma diferença de energias que possibilita o movimento. Movimento esse,
que só é contínuo porque a conservação de energia permite que o trabalho seja
Energia
armazenado na parede das grandes artérias na sístole, para depois ser devolvido ao
Máquina
Trabalho
sistema circulatório na diástole. Associado a isso tudo temos a transformação dessa energia
em energia cinética, o que implica no movimento do sangue e de todos seus constituintes.
Fonte É importante de Quenteenfatizar que, apesar desses exemplos mais pontuais, a primeira lei
está presente em todos os processos que envolvem energia, desde reações químicas até
Energia
movimentos musculares, sendo o seu entendimento formal
Perdida
fundamental para
compreendermos a segunda lei da termodinâmica e suas conseqüências na biologia.
Para saber mais:
Brush, S.G. 1966. Kinetic theory. Pergamon Press.
Brush, S.G. 1983. Statistical physics and the atomic theory of matter. Princeton University Press.
109

V Curso de Inverno
Van Wylen, G. J., Sonntag, R. E. & Borgnakke, C. 2003. Fundamentos da Termodinâmica. Editora
Edgard Blücher ltda. São Paulo. 577 páginas
Monteiro, L.H.A. & Piqueira, J.R.C. 2000. O que orienta a evolução biológica? In D´Ottaviano, I.M.L &
Gonzáles, M.E.Q. (orgs). Auto-organização. Coleção CLE30, Campinas.
Pressão
A
Qa
D
W
B
Ta
Qb
C
Tb
Volume
Revisado por José Guilherme de Souza Chauí Matos Berlinck
110

Termodinâmica e Complexidade em Sistemas Biológicos
Segunda Lei da Termodinâmica
José Eduardo Natali, Fernando Marques e
Vitor Hugo Rodrigues
Laboratório de Fisiologia Teórica
Todos nós utilizamos carro, ônibus ou qualquer outro meio de transporte que
necessita, obrigatoriamente, de um combustível (seja ele fóssil ou não) para que se
locomova. Todos nós sabemos que o motor dos meios de transporte aquece. Por que será?
As bases da segunda lei da termodinâmica foram desenvolvidas pelo físico francês
Sadi Carnot em 1824, antes da primeira lei (BRUSH, 1976, 1983 apud MONTEIRO &
PIQUEIRA, 2000). Carnot, fascinado pelo impacto das máquinas na Inglaterra e também
interessado em aumentar o rendimento das máquinas térmicas (como os motores de nossos
meios de transporte, por exemplo), publicou a monografia “Reflexões sobre a força motriz do
fogo e sobre as máquinas que desenvolvem essa força”, na qual mostra que o contato entre
corpos de temperaturas diferentes gerava um fluxo de energia (calor) que deixava de ser
utilizada para executar trabalho mecânico.
Em outras palavras, ele notou que parte da energia fornecida pelos combustíveis aos
nossos meios de transporte, por exemplo, é perdida sob a forma de energia térmica em vez
de ser transformada em movimento pura e simplesmente, porque há uma diferença de
temperatura entre o motor e o meio externo (ar, água) que o circunda (Figura 1) [lembre-se
que dU (energia interna) = dQ (calor) - dW (trabalho)]. Além disso, Carnot mostra que é
fundamental que uma parte da energia seja perdida, pois só assim a máquina pode
continuar a realizar trabalho.
Figura 1. A queima do combustível fornece energia (fonte quente). A energia é utilizada pela máquina
na geração de trabalho. Contudo, parte é perdida para o meio externo, que possui uma temperatura
menor que a da máquina.
111

V Curso de Inverno
Podemos começar a entender esse fenômeno estudando o ciclo de Carnot (Figura
2). Neste ciclo, estão representados quatro pontos com diferentes parâmetros que os
descrevem (pressão, volume e temperatura): A, B, C e D. A mudança de cada um dos
pontos (ou estados) para outro ocorre espontaneamente, sendo assim isoentrópico, porém
para o ciclo ser completo é necessário que a magnitude da transferência de energia Qa seja
igual à Qb. Isso em um sistema isolado (na mesma escala de do ciclo de Carnot) implica na
transferência de energia de um corpo mais frio para um corpo mais quente. Isto torna esse
ciclo impossível, pois sabemos que só há fluxo de calor de um corpo mais quente (T
maior) para um mais frio (T menor), e nunca o contrário (FEYNMAN et al,1970), o que
torna a condução de calor um processo irreversível (MONTEIRO & PIQUEIRA, 2000).
Dizemos que um processo é irreversível quando a probabilidade de que ele aconteça é tão
baixa que sua ocorrência chega a ser considerada impossível (HOPF, 1988 apud
MONTEIRO & PIQUEIRA, 2000).
1. Figura 2 - Ciclo de Carnot. Note que Ta>Tb e que as curvas Ta e Tb são isotermas, assim as
transições A->B e C->D ocorrem à temperatura constante e B->C e D->A são transições
adiabáticas (sem troca de energia com o meio). Todas as expansões e contrações do clico de
Carnot são reversíveis, neste modelo a entropia aumenta e diminui, porém em uma
transformação de A->B->C->D->A, a variação de entropia é igual zero (isoentrópica).
Lembre-se que o trabalho útil é dado pela área hachurada da figura.
Este ciclo foi criado por Carnot como modelo de uma máquina que minimizaria o tão
famigerado problema da perda de energia sob a forma de calor, mas, infelizmente, não é
possível construí-la (não até agora, pelo menos).
A segunda lei da termodinâmica está associada exatamente a essa perda de
energia. Porém, para melhor entendermos o que está por trás da segunda lei, uma
formalização maior é necessária.
Clausius deu à segunda lei seu formato mais famoso ao introduzir uma função de
estado denominada entropia (representada por S), a qual era, segundo ele, uma medida de
capacidade de mudança de um sistema: em um sistema isolado, a quantidade de energia é
112

Termodinâmica e Complexidade em Sistemas Biológicos
constante, contudo a quantidade de energia capaz de ser transformada em trabalho pode se
alterar (tendendo a diminuir) com o passar do tempo (MONTEIRO & PIQUEIRA, 2000).
Desta maneira, sempre que passamos de um estado de equilíbrio a outro (as transições do
ciclo de Carnot, por exemplo), temos um aumento de entropia.
Em sistemas isolados, ou seja, nos que não apresentam troca de calor com o meio,
a entropia varia da seguinte forma:
em processos reversíveis, não há variação (∆S=0);
em processos irreversíveis, a entropia sempre aumenta (∆S>0).
Em sistemas não isolados operando de maneira reversível a variação de entropia é
dada por:
,
sendo dS a variação de entropia, ∂Q, a quantidade de calor transferida para o sistema e T,
sua temperatura absoluta.
Lembra da irreversibilidade da troca de calor? Se pensarmos que o mesmo calor que
sai de um corpo com temperatura Ta é TRANFERIDO por outro corpo de temperatura Tb, ao
olharmos bem a equação acima podemos notar que ∆S>0, fato típico de processos
irreversíveis.
Sendo assim, podemos concluir que ∆S (variação de entropia) está ligada à variação
de calor em dada temperatura em cada um dos corpos do sistema:
EM princípio, a definição de entropia de Clausius pode parecer estranha, mas esta
entropia é a mesma que talvez você conheça de outra forma ou com outra representação,
como as apresentadas a seguir.
A maneira mais comum de se definir entropia é como sendo uma medida de (des)
organização: quanto maior a entropia, menor a organização do sistema. Neste caso,
assumimos que os sistemas caminham todos espontaneamente para um estado de maior
“bagunça”, haja visto que a entropia sempre tende a aumentar (Figura 3).
Entretanto, isto não se reflete em exatamente todos os sistemas existentes. Um
exemplo bem interessante é o de uma solução supersaturada do sal tiossulfato de sódio
que, espontaneamente, forma cristais bastante organizados espacialmente (MONTEIRO &
PIQUEIRA, 2000), o que implica que seu estado de maior entropia é o de maior
organização.
Dessa forma, fica mais claro pensarmos que o aumento da entropia está relacionado
a uma maior desordem estatística, mas não necessariamente a uma desorganização
113

V Curso de Inverno
(WICKEN, 1978). A importância estatística da segunda lei da termodinâmica será abordada
mais para frente.
Figura 3 – Em (a), temos moléculas com disposição “ordenada”. Se isso ocorreu em um determinado
momento, o mais provável é que, em tempos futuros, a disposição seja mais “desordenada”, como
em (b). Isto significa, portanto, que os processos naturais em sistemas isolados tendem para uma
entropia maior. (Fonte: http://www.mspc.eng.br/termo/termod0120.shtml)
Um outro modo de definir entropia é a entropia molecular ou estatística, que foi
desenvolvida por Boltzmann. Aqui, entropia é considerada uma medida de energia dispersa
entre microestados acessíveis, ou seja, é uma medida de uma combinação particular de
moléculas distribuídas entre níveis de uma dada quantidade de energia (KOZLIAK, 2004).
Microestados são estados do sistema no qual a localização e o momento de cada
molécula e átomo são especificados em grande detalhe (KOZLIAK, 2004), e o número de
microestados possíveis está diretamente, mas não apenas, relacionado às alterações na
temperatura (assim como a entropia de Clausius também está).
Boltzmann demonstrou que a entropia de Clausius pode ser escrita relacionando os
W modos em que um microestado poderia gerar um macroestado (o estado macroscópico
formado pelos microestados). Nessa visão estatística, quanto maior a quantidade de
microestados acessíveis, maior o número de possibilidades em que o sistema pode se
arranjar e, conseqüentemente, maior a entropia:
S = kB ln W ,
sendo S entropia, kB, a constante de Boltzmann, de valor pré-definido, e W, o número de
microestados acessíveis.
Porém podemos ter esta formulação em termos de probabilidade, onde se
considerarmos que a energia total do sistema (E), foi dividida entre as partículas que o
constituem. Se tivermos N partículas no sistema, existem muitas maneiras de distribuir a
energia total E entre as N partículas, onde cada uma dessas maneiras é específica de cada
microestado (MONTEIRO & PIQUEIRA, 2000).
114

Termodinâmica e Complexidade em Sistemas Biológicos
Então, expressando entropia de uma maneira probabilística, o sistema tem uma
probabilidade pi de estar num instante qualquer em qualquer um dos W os microestados,
onde ∑ipi=1, para isso, temos que:
S = -kB ∑i pi ln pi
(PIQUEIRA & MONTEIRO, 2000).
A grande contribuição da definição estatística da entropia é fazer a ligação entre os
estados macroscópicos com os microscópicos. É importante ressaltar que, apesar de agora
podermos calcular a entropia sem estar necessariamente associada A fluxos de calor e
energia, as duas formulações são essencialmente a mesma coisa, e os conceitos
inicialmente definidos continuam valendo. Sendo assim, pensar a entropia nesta abordagem
molecular pode ser uma forma mais fácil (e correta) de entender o conceito.
Entropia e os sistemas vivos:
“Seres vivos são sistemas termodinâmicos fora do equilíbrio”. Esta frase talvez cause
certo impacto ao ser lida, no entanto o quanto ela pode ter de verdade? Se considerarmos
entropia como o grau de organização apresentado por um sistema, então, realmente, ela faz
sentido. Seres vivos mantêm organização interna, à custa de criar desordem no meio
externo, ou seja, operam em baixos níveis de entropia, mas aumentam a entropia presente
no ambiente. Isso, lógico, se tomarmos entropia como o grau de desorganização do sistema
observado.
Isso foi proposto por Schroedinger em 1944 (MONTEIRO & PIQUEIRA, 2000), no
entanto Ilya Prigogine leva estas idéias mais a fundo. Em seus trabalhos com sistemas
abertos (sistemas abertos são aqueles que trocam massa e energia com o ambiente), ele
propõe que as mudanças de entropia nestes sistemas podem ser decompostas em uma
medida de entropia que o sistema troca com o meio e uma medida de entropia de processos
irreversíveis internos do sistema (e.g.: reações químicas). Nesse balanço de forças entre as
entropias, é possível para este sistema atingir um estado onde sua entropia é menor que a
do início sem infringir a segunda lei (PRIGOGINE, 1955, 1980; PRIGOGINE, 1972 a, 1972
b, apud MONTEIRO & PIQUEIRA, 2000)
Esse balanço entre entropias está associado a manter entropia interna baixa ao
custo de uma geração de entropia alta no meio. Por exemplo, quando o sistema troca
matéria com o ambiente (por exemplo, ingestão de alimento), ocorre uma variação de
entropia. O sistema consegue compensar essa variação e assim manter uma entropia baixa
aumentando a entropia externa (e. g. dissipação de energia térmica).
Manter uma entropia interna baixa também é importante se lembrarmos que um
aumento na entropia acarreta em uma menor capacidade de realizar trabalho. Assim,
115

V Curso de Inverno
podemos definir que uma menor geração de entropia está relacionada à diminuição da
destruição de “energia útil” num sistema (BEJAN, 2002), o que parece ser altamente
adaptativo.
Alguns acreditam que como a segunda lei da termodinâmica é a única lei física que
indica a direção temporal na qual um sistema evolui, a evolução biológica é uma
conseqüência direta desta lei (MONTEIRO & PIQUEIRA, 2000), o que nos remete à frase
que inicia esta sessão. Por mais que se tente pensar evolução num sentido não finalista, ela
parece ter uma direção no tempo. Isto pode estar ligado à segunda lei, e também a todos os
fenômenos citados acima. A vida, arrumando uma “solução” para problemas que o ambiente
impõe a ela, mas sem entrar em equilíbrio com o mesmo, porque afinal, se ela entrasse
neste estado, ela provavelmente não existiria.
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Revisado por José Guilherme de Souza Chauí Matos Berlinck
116

Termodinâmica e Complexidade em Sistemas Biológicos
Informação
Vitor Hugo Rodrigues
Laboratório de Fisiologia Teórica
Esta é uma palavra utilizada em muitos contextos, comumente citada em diversos
meios, e que assume, no geral, uma gama de significados, como por exemplo, “Conjunto de
conhecimentos sobre alguém ou alguma coisa, conhecimentos obtidos por alguém, fato ou
acontecimento que é levado ao conhecimento de alguém ou de um público através de
palavras, sons ou imagens, elemento de conhecimento susceptível de ser transmitido e
conservado graças a um suporte e um código”, ou “informação vem do latim informationem,
("delinear, conceber idéia"), ou seja, dar forma ou moldar na mente, como em educação,
instrução ou treinamento”, ou ainda “aquilo que reduz incerteza”.
Essa palavra descreve fenômenos que são comuns a diversos tipos de sistemas, não
somente a nós, humanos, pois o processo de comunicação se dá em diversos níveis que
vão de células a populações inteiras, passando, inclusive, por sistemas inanimados. Frente
à definição de informação dada, podemos ver que, na verdade, nos processos de
comunicação, há transmissão de informação: se obtemos conhecimento sobre algo, alguém,
ou algum fato, isto ocorre porque fomos comunicados de alguma forma.
Quando observamos algo, procuramos de alguma forma, reduzir a incerteza que
temos sobre aquilo que observamos, e, para isso, tentamos obter o máximo de informação
sobre o objeto (aqui definido em senso amplo). Por exemplo, quando se está em uma festa
e uma pessoa nos chama a atenção, podemos, de pronto, tomar duas posturas:
De alguma forma tentar nos aproximar e nos apresentar para iniciar uma
conversa.
Ou não ir conversar com a pessoa, observá-la a noite inteira, e nos remoer
em algum canto, torcendo para ela vir falar conosco (o que não vai
acontecer, a não ser que você seja o Giannechinni).
Supondo que a primeira opção tenha sido escolhida, e, a abordagem tenha sido feita
(seja lá de que forma for), o diálogo (que pode virar um monólogo dependendo da reação da
outra pessoa) certamente vai envolver perguntas como “Você vem sempre aqui?”, “Qual é
seu nome?”, entre outras. Tudo isso sempre observando o comportamento da pessoa com
quem se fala, para obter o máximo de informação possível, e assim, reduzir algumas
incertezas as quais, por ventura, possam surgir, como “Será que ela vai sequer falar
comigo?” ou “Vou sair sozinho desta festa hoje?”.
Então, do exemplo, podemos dizer que o ambiente fornece parte das mensagens
(reação, aparência, ou se a pessoa está acompanhada), assim como a própria conversa
(informações relevantes (ou não!), como nome, idade, o que gosta, etc.).
117

V Curso de Inverno
Um pouquinho de história
A história da Teoria da Informação remonta aos idos de 1928, quando Ralph Hartley,
no artigo “Transmission of information”, apresenta uma formula para a quantificação de
informação, o qual ressalta que o fator importante nesse processo é a habilidade do receptor
em selecionar símbolos em um dado vocabulário. Então, tendo W símbolos disponíveis, a
quantidade de informação H em uma dada seleção é H = logW. Hartley estava interessado
em comparar a capacidade de transmissão de diversos sistemas elétricos de
telecomunicação.
Durante a segunda Guerra Mundial, Claude Shannon trabalhava com criptografia e
sistemas de controle e automação no Bell Lab, nos Estados Unidos. Com o fim da guerra, e
com muitas idéias advindas de seu trabalho com criptografia, Shannon desenvolveu a
importante e controversa (ao menos na sua aplicabilidade em biologia) teoria da informação
em 1948, com a publicação de um artigo, A Methematical Theory of Communication
(Shannon,1948). Esse artigo foi publicado em forma de tese em 1949, com uma pequena
alteração no titulo (a qual, sinceramente, faz toda a diferença), para The Mathematical
Theory of Communication (Shannon & Weaver, 1949).
Tá, chega de enrolação e fala logo da Teoria
Shannon, logo no começo de seu artigo, inicia sua linha de raciocínio dizendo que o
principal problema da comunicação é reproduzir num ponto exatamente ou da maneira mais
próxima possível, uma mensagem que foi selecionada e enviada de outro ponto, e que a
verdadeira mensagem é uma que é escolhida de um conjunto de mensagens possíveis.
Então, o sistema tem que operar sobre qualquer seleção possível, e não com a que vai
realmente ser escolhida uma vez que essa é desconhecida no momento anterior à
mensagem ser enviada, ou seja, não é possível prever qual é a mensagem que será
transmitida. Isso só será conhecido no momento da recepção (Shannon, 1948).
A partir disso, vemos que, para Shannon, comunicação é um processo probabilístico,
e que para problemas de engenharia (com os quais ele estava preocupado), o significado e
veracidade das mensagens não importavam. Portanto, a teoria da informação está
relacionada com a redução da incerteza do receptor, pois a mensagem tem uma
probabilidade de fazer com que o receptor mude de estado, depois da transmissão da
mensagem, narrando algum evento.
Imagine, então, um sistema como o da figura 1, onde se tem uma fonte de
informação que produz uma mensagem, ou seqüência de mensagens, as quais serão
transmitidas pelo... Adivinha só? Se estiver olhando a figura e falou transmissor, acertou.
Esse transmissor enviará um sinal para o receptor, por um canal, que nada mais é do que o
meio pelo qual essa mensagem é enviada (sejam letras que se concatenam formando
palavras, ou variação de voltagem, ou traços e pontos de código Morse, etc.). O receptor
tem o papel de receber (porque isso me soa redundante?), e reconstruir a mensagem
118

Termodinâmica e Complexidade em Sistemas Biológicos
enviada, e, por fim, existe o destino que é quem deve receber a mensagem (seja uma
pessoa ou coisa).
Então, imagine um evento que você gostaria muito que acontecesse; como ganhar
na loteria e passar o resto da vida deitado numa rede tomando seu drinque favorito. Para
você saber se ganhou ou não, alguém precisa comunicá-lo, e, para isso, é necessária uma
mensagem. Imagine que H é uma medida de informação e pi é a probabilidade de
ocorrência de um evento dentre vários possíveis (quantidade de números acertada) e h é a
informação recebida pela transmissão de uma mensagem informando um dos possíveis
eventos ocorridos (por exemplo, você acertou todos os números), temos que h= - log pi.
Então, a medida informação H, que é uma somatória da quantidade de informação de todos
os h, ou na forma matemática, vale H=
, sendo que H é chamado de entropia
informacional.
Re-analisando tudo isso a partir do exemplo acima, podemos ver que existiu um
transmissor de informação (Caixa Econômica Federal, que é quem faz os sorteios), por um
meio (transmitiu o sorteio pela TV ou rádio, ou publicou o resultado no jornal). Então o
receptor (seus olhos ou ouvidos, ou os dois) recebeu a mensagem, e seu cérebro atento,
que é o destino (ou destinatário) da mensagem, é quem vai processar a mensagem enviada
e comparar com os números contidos no seu bilhete. Aí, a glória celestial vai preencher seu
coração, ou a frustração do “droga, perdi de novo” vai amargurá-lo, mais uma vez.
Sendo assim, se quiséssemos medir a quantidade de informação presente na
transmissão deste evento:
Tomaríamos a probabilidade de cada evento que no exemplo seria não
acertar nenhum número (p0), acertar um (p1), dois (p2), três (p3), quatro (p4),
cinco (p5) ou o bilhete irradiar uma imensa quantidade de felicidade
mostrando que você acertou os seis números (p6, sem querer ser estraga
prazeres, essa é irrisória).
Então, multiplicaríamos, as probabilidades, pelos logaritmos das
respectivas probabilidades (h0= p0 log (p0); h1=p1log(p1); e assim por
diante).
E somaríamos todos os h. Fácil, não?
Teríamos, portanto, uma medida da informação contida na transmissão deste evento,
segundo a teoria de Shannon. Isso, realmente, pode parecer um tanto esquisito, pois se ele
partiu do pressuposto de que comunicação é um evento probabilístico, fica fácil ver o porquê
de usar a probabilidade de cada evento, mas porque usar o logaritmo da probabilidade????
Shannon explica:
Alguns parâmetros em engenharia como tempo, comprimento de onda,
variam linearmente com o logaritmo do numero de possibilidades. Por
119

V Curso de Inverno
exemplo, dobrando o tempo de uma série temporal, eleva-se ao quadrado o
numero de mensagens possíveis, ou dobra-se o logaritmo dessas
possibilidades num logaritmo de base 2.
É próximo do que intuitivamente se chamaria de medida apropriada, pois se
costuma comparar coisas por comparações lineares. Por exemplo, dois
DVD’s tem o dobro de capacidade de armazenar informação do que um
único DVD (nota: no exemplo de Shannon, foi usado cartão furado. Observe
o quanto os meios de armazenamento de informação, e o tamanho dos
computadores mudou de lá pra cá).
É matematicamente mais apropriado, pois facilita algumas operações.
Entropia...palavra recorrente...
Se olhadas mais de perto, as funções de Boltzmann e de Shannon são bem
parecidas, este, aliás, foi um motivo pelo qual a fórmula de Shannon citada acima foi
batizada de “Entropia”. As principais diferenças são as constantes de proporcionalidade e as
bases logarítmicas, que, ainda assim, não trazem diferenças significativas às duas formas.
Acredita-se que a entropia de Shannon tira a definição de entropia do âmbito
termodinâmico, e trás mais perto de referenciais de distribuições de probabilidade no geral.
Uma das idéias associadas à noção de entropia é a da quantidade de energia distribuída
pelos microestados ocupados pelo sistema, quanto mais homogênea é a distribuição (ou
seja, a energia das partículas que compõem o sistema é igualmente distribuída entre os
microestados do sistema) e a generalização de Shannon, pode ser encarada como a
organização de um sinal ou série temporal qualquer. Quanto maior a Entropia Informacional
contida naquele sinal, maior a “desorganização” do sinal como, por exemplo, ruído branco
(que pode ser estática de rádio, ou da TV, que é um sinal que tem sua energia igualmente
distribuída por todas as freqüências). Ou seja, mesmo tendo origens diferentes, a Entropia
de Shannon dá um sentido um pouco mais geral ao conceito de Entropia.
Além disso, a entropia termodinâmica pode se relacionar com a entropia
informacional, já que a quantidade de microestados possíveis pode ser limitada por um
acréscimo de informação ao observador. Esse é o principio de neguentropia da informação
de Briollouin que leva em conta que nesse processo a entropia e a informação são
intercambiáveis.
Acho que entendi, mas o que isso tem a ver com Biologia?
Alguns pesquisadores tentaram se utilizar da entropia informacional de Shannon para
quantificar informação biológica. Considerando que informação é uma propriedade
importante dos seres vivos, pois desde alguns dos menores níveis de organização (células,
tecidos) envolve comunicação, ou transmissão de informação por moléculas (DNA no
120

Termodinâmica e Complexidade em Sistemas Biológicos
processo de transcrição e replicação por exemplo), uma medida como essa permitiria
quantificar o nível de organização ou complexidade de um organismo.
No entanto, alguns pesquisadores faziam criticas severas ao uso desta teoria em
biologia evolutiva. Primeiro que, para o cálculo desta complexidade, as unidades de
informação são arbitrárias, sendo que diferentes quantidades de informação serão obtidas
dependendo do que se chama de unidade de informação. Um zigoto seria menos complexo
que o Homem, pelo simples fato dele ser menor. Em segundo, quando se utilizam, por
exemplo, proteínas constituintes como unidades de informação, calcula-se que a informação
contida em um homem é de 5.10 25 bits. No entanto, outra critica curiosa e bem apropriada é
que isto não pode ser levado em conta pelo fato de que tanto um homogeneizado de
homem quanto um homem inteiro teriam a mesma quantidade de informação. Contudo, de
todos os arranjos moleculares possíveis entre as moléculas que formam o Homem, apenas
alguns podem formar um Homem vivo.
Outra crítica que se coloca é a de que não se pode utilizar a teoria de Shannon, na
qual se tem emissor, receptor e decodificador, para moléculas como o DNA, pois aqueles
componentes não são aparentes em um sistema químico e, portanto, estes processos não
carregam informação. Alem disso, a Teoria de Shannon não se preocupa com a veracidade
ou com o significado da informação e, em sistemas biológicos, a qualidade da informação é
tão importante quanto a quantidade de informação.
Se há críticas por um lado, há, por outro, interesse na Teoria de Shannon. Segundo
Maynard-Smith, se é possível transmitir informação por ondas elétricas, sonoras ou por
eletricidade, por que não seria possível transmitir informação por meios químicos? Para ele,
um dos grandes ganhos da teoria de Shannon é que a mesma informação pode ser
transmitida por diferentes carreadores físicos. Engenheiros não usaram carreadores
químicos justamente pela dificuldade de colocar ou tirar informação de meios químicos, uma
dificuldade que segundo ele, os sistemas vivos conseguiram superar. É realmente difícil ver
todos os elementos da teoria de Shannon no modelo de transcrição do DNA para RNA e da
tradução deste RNAm para proteína. Se pensarmos na comunicação entre duas pessoas
por código Morse, por exemplo, podemos identificar todos os elementos da figura 1, pois
uma pessoa é a fonte da informação, existe o aparelho onde a mensagem será “digitada”,
que é o transmissor, existe o meio de transmissão (eletricidade através de fios e cabos),
existe o receptor, e o decodificador do código, que é o operador da maquina que recebe a
mensagem. No entanto, é difícil imaginar uma decodificação de mensagem do RNAm para
proteína, uma vez que o código não foi codificado por uma proteína para RNAm.
Porém, nesse caso, Maynard Smith se utiliza de uma analogia que se estende por
parte do artigo, que é da comunicação por código Morse. Neste caso, o codificador não é a
maquininha que produz o sinal do código, e sim, a pessoa que converte significado em um
encadeamento de fonemas, e que depois é convertido em código Morse. Já no exemplo do
aparato celular de transcrição/tradução gênica, é a seleção natural. Por quê? Pelo simples
121

V Curso de Inverno
fato de que foi por seleção natural que selecionaram as seqüências de bases, dentre muitas
seqüências possíveis, que originariam proteínas funcionais e constituintes dos sistemas
vivos, por meio do canal de transmissão de informação descrito pela teoria de Shannon.
Como ele diz em seu artigo: “Onde um engenheiro vê design, um biólogo vê seleção
natural!”.
Maaaasss... como nem tudo são flores, existem alguns pontos em que a teoria da
Informação realmente peca quando aplicada em biologia. Warren Weaver, que trabalhou
com Shannon no artigo em que se apresenta a teoria, diz que se pode medir a efetividade
num processo de comunicação observando três preceitos básicos:
1. O quão acuradamente os símbolos que codificam a mensagem podem ser
transmitidos (o problema técnico).
2. O quão precisamente os símbolos transmitidos transportam o significado desejado
(o problema de significado).
3. A efetividade da mensagem recebida na mudança de estado do receptor.
E a teoria da Informação está apenas preocupada com o preceito 1, e em biologia,
os outros dois preceitos são muito importantes, também. Então, baseado na teoria de
Shannon, e focando no preceito 3, Weinberger, em 2002 propôs uma medida chamada
informação pragmática, com o intuito de “medir” evolução. Na verdade, a informação
pragmática vai medir a capacidade que uma mensagem tem de fazer com que o receptor
mude de estado (e com isso quero dizer que se o sistema estava operando de uma
determinada forma, vai passar, após a recepção da mensagem, a operar em outra; por
exemplo, se você estiver parado, e seus olhos virem no relógio de que você está atrasado
para a prova, seu coração disparará, e suas pernas se moverão loucamente... percebeu a
mudança de estado?). Se imaginarmos um conjunto M de mensagens m, que chega a um
receptor que por sua vez está ligado a um “tomador de decisão”, que enviará uma
alternativa a um efetor. Esse efetor tinha um conjunto de possíveis “saídas” oi, cada uma
com uma probabilidade q(oi) antes da mensagem atingir o receptor (maiores detalhes na
figura 2). Até aí, nenhuma novidade. A grande novidade desse modelo é que quando o
receptor capta a mensagem, as probabilidades q(oi) são revistas e as probabilidades de
uma determinada “saída” se torna p(oi). Ou seja, imagine a festa do começo do capítulo, e
imagine que aquela pessoa que te despertou o interesse está momentaneamente sozinha
em algum canto, e deu uma olhadela sexy e uma piscadela marota pra você. Com essa
mensagem, as probabilidades de uma possível postura que você pode tomar (como por
exemplo, ir até a pessoa, ou ir até a pessoa com um drinque, ou ir até a pessoa chegando
pelas costas; por que convenhamos, a probabilidade q(não chegar na pessoa), é quase nula
nesse caso), no entanto, numa segunda observada que você dá nessa pessoa, você se
depara com ela um pouco distraída, e ela enfia o dedo no nariz. Bem, depois dessa outra
mensagem, as probabilidades vão ser revistas, e a probabilidade de você se aproximar se
torna menor, e a de você não se aproximar, maiores.
122

Termodinâmica e Complexidade em Sistemas Biológicos
A informação pragmática torna-se uma medida, então, onde o contexto, e a
semântica são relevantes, e então é uma medida que pode ser muito mais útil para ser
usada em processos biológicos, apesar de algumas dificuldades, como por exemplo,
determinar os conjuntos de ações possíveis, de mensagens possíveis e suas
probabilidades.
Fonte de
informação
Transmissor
sinal
recept
or
desti
no
Figura 1: Diagrama esquemático simplificado de um sistema de informação, com seus componentes
(adaptado de Shannon, 1948).
Teoria da Informação tem sido (mas não amplamente) usada em neurofisiologia, e
em alguns estudos de comunicação de sapos e golfinhos para caracterização sonora dos
cantos emitidos por estes animais (para maiores detalhes ver Suggs & Simmons, 2005 e
Mcgowan, 1999). E pode ser uma base para projetos que tentem ver processamento no
sistema nervoso central de algum animal, a partir de eventos de comunicação (como cantos,
para animais que cantam). Por isso, apesar das limitações a Teoria da Informação de
Shannon, ela abre precedentes para se pensar em transmissão de informação em
processos de comunicação. Shannon, relembrando, se focou em problemas de
comunicação na engenharia, e obviamente não se pode transpor diretamente esse tipo de
teoria para a biologia. Mas tentativas de adaptação, como a de Weinberger com a
Informação Pragmatica, são muito bem-vindas, pois tentar entender e quantificar
comunicação e informação em processos biológico pode trazer grandes ganhos no
entendimento desses sistemas malucos que são os sistemas vivos.
Figura 2: Diagrama esquemático simplificado dos componentes que aparecem na informação
pragmatica, (adaptado de Weinberger, 2002).
123

V Curso de Inverno
Nossa, que confusão!
É, a coisa é realmente confusa. E provavelmente essa confusão ainda perdure na
cabeça das pessoas por muito tempo. Mas, mesmo assim, algumas coisas bem legais estão
surgindo da Teoria de Sannon. A própria informação pragmática é uma tentativa de
quantificar informação, derivada da teoria de Shannon, mas que tenta estabelecer uma
aplicabilidade para questões evolutivas.
Para saber mais (plagiando uma famosa revista):
Shannon, C.E. (1948). A Mathematical theory of communication. The Bell Sys. Tech. J.
27:379-423,623-656.
Monteiro, L.H.A. & Piqueira, J.R.C. (2000). O que orienta a evolução biológica? In. Auto-organização,
D´Ottaviano I.M.L & Gonzáles, M.E.Q. Coleção CLE30, Campinas.
Smith, M.J. (2000). The concept of information in biology. Phylosophy of Science, 67, 177-194.
McCowan,B; Hanser, S.F; Doyle, L. R. (1999). Quantitative tools for comparing animal communication
systems: Information theory applied to bottlenose dolphin whistle repertoires. Anim. Behav.
57:409-419.
Suggs, D & Simmons, A (2005). Information theory analysis of patterns of modulation in the
advertisement call of the male bullfrog, Rana catesbeiana. J. Acoust. Soc. Am.
117:2330-2337.
http://en.wikipedia.org/wiki/History_of_information_theory
http://pt.wikipedia.org/wiki/Informa%C3%A7%C3%A3o#Etimologia
Revisado por José Guilherme de Souza Chauí Matos Berlinck
124

Cronobiologia
Capítulo 4
Cronobiologia
Autores:
Erika Cecon
Gisele Akemi Oda
Sanseray da Silveira Cruz-Machado
Marco Antônio Pires Camilo Lapa
Eduardo Koji Tamura
Daiane Gil Franco
Saulo Henrique Pires de Oliveira
125

126
V Curso de Inverno

Cronobiologia
Introdução à Cronobiologia
Gisele Akemi Oda
Laboratório de Cronobiologia
gaoda@ib.usp.br
A Cronobiologia é o estudo da organização temporal dos seres vivos. Essa
organização manifesta-se na ocorrência de ritmos biológicos em processos fisiológicos e
comportamentais, desde seres unicelulares a pluricelulares, apresentando periodicidades
que vão de milissegundos a anos.
Ritmos biológicos com periodicidades iguais aos de ciclos ambientais são bastante
evidentes: ritmos de vigília-sono, em humanos, têm períodos de 24 horas. Ritmos de
hibernação e de migração têm períodos anuais. A reprodução e as atividades de muitos
animais marinhos estão diretamente relacionadas com os ciclos lunares.
A adaptação de um organismo, em seu aspecto temporal, está relacionada com a
programação da melhor hora do dia, melhor estação do ano, melhor fase da maré, para
realizar determinada atividade. Essa adaptação implica em um encadeamento de processos
fisiológicos, os quais se organizam internamente, resultando em um organismo que
expressa comportamentos e funções nos intervalos de tempo mais convenientes. A
importância e a eficiência desse ajuste verificam-se em uma ampla diversidade de
processos como a busca por alimento, interação predador-presa, sobrevivência a estações
adversas, migração, reprodução, etc.
Os ritmos circadianos são aqueles que apresentam períodos em torno de 24 horas
e são os mais estudados na Cronobiologia. Acreditou-se, por muito tempo, que os ritmos
circadianos decorriam apenas de uma resposta direta do organismo aos fatores ambientais
cíclicos, como a temperatura e as alternâncias de claro e escuro. A persistência dos ritmos
sob condições ambientais constantes controladas em laboratório explicitou o caráter
endógeno dos mesmos, ou seja, a existência de osciladores circadianos nas diversas
espécies. Sob condições constantes, o oscilador entra em ”livre-curso”, apresentando seu
período natural (τ “tau”) que é sempre ligeiramente diferente de 24 horas. Fatores
ambientais cíclicos podem sincronizar os ritmos biológicos, sendo chamados de
“zeitgebers”. A natureza dos zeitgebers é bastante variada e dependente para cada
espécie: ciclo de claro/escuro, ciclo de temperatura, ciclo de som, ciclo de disponibilidade
alimentar, ciclos de estímulos sociais (Moore-Ede et al., 1982).
O sentido de se ter um relógio endógeno, auto-sustentado, ao invés de apenas um
simples mecanismo de resposta direta ao ciclo ambiental, está na necessidade do
organismo de se preparar fisiologicamente, com antecipação, para uma determinada
127

V Curso de Inverno
atividade no ambiente terrestre essencialmente cíclico. Os desafios ambientais enfrentados
pelos seres vivos recorrem com períodos regulares e são, portanto, previsíveis,
possibilitando uma antecipação. Em muitos casos, essa necessidade torna-se bastante
evidente: animais hibernadores e migradores precisam ir acumulando peso para estarem
com reservas suficientes no momento ideal de se recolherem, ou de começarem uma longa
viagem, respectivamente. Animais que vivem sob a areia e que precisam migrar
continuamente de acordo com as marés não podem se confundir com as flutuações típicas
do mar: relógios endógenos também protegem o organismo de distúrbios ambientais
menores (Enright, 1970).
O sistema circadiano é constituído, basicamente, de três componentes principais (fig.
1):
1-oscilador circadiano;
2-aferências: vias de percepção e condução da informação do zeitgeber para o
oscilador;
3-eferências: vias de transmissão da informação temporal do oscilador para o
organismo.
Figura 1: Principais componentes do sistema circadiano
A Identificação Anatômica do Oscilador Circadiano
A identificação anatômica do oscilador circadiano, em vertebrados, iniciou-se nos
anos 60 com os experimentos de Curt Richter, o qual lesionou diversos órgãos, verificando o
efeito da lesão no ritmo de atividade locomotora de ratos. A lesão do hipotálamo gerou
arritmicidade, indicando provável alojamento do oscilador nesta região do cérebro. Por outro
lado, em 1976, Michael Menaker demonstrava arritmicidade resultante de extirpação da
glândula pineal em pardais, com a retomada da ritmicidade na atividade após transplante de
tecidos desta mesma glândula.
A arritmicidade resultante de uma lesão não é um indicativo final de que a estrutura
lesionada consista no oscilador circadiano! Lembremo-nos da estrutura do sistema
circadiano: ele é constituído de aferências, oscilador e eferências. Notem que a
arritmicidade pode ser provocada tanto na lesão do oscilador como de eferências. Como
128

Cronobiologia
distinguir estas duas possibilidades? Precisava-se, dessa forma, de critérios melhores para
se acessar o oscilador através deste tipo de experimento.
Para que uma estrutura possa ser definitivamente considerada como oscilador
circadiano, ela deve obedecer a certos critérios (Moore-Ede et al.1982):
- a oscilação deve persistir “in vitro”, ou seja, quando isolada de suas aferências e
eferências;
- quando transplantada, deve transferir os padrões de sua oscilação – período e fase
– para o novo organismo.
Em 1979, Zimmermann e Menaker demonstraram que a glândula pineal é o oscilador
circadiano dos pardais, transplantando pineais entre indivíduos mantidos em condições de
claro/escuro deslocados de 12h. Após o transplante, cada indivíduo passou a expressar
atividade de acordo com a fase determinada pelo doador.
Em 1972, os núcleos supraquiasmáticos (NSQ), localizados no hipotálamo, foram
indicados como as prováveis estruturas que alojavam o oscilador circadiano, em ratos.
Tendo dado prosseguimento aos experimentos de Richter, Stephan e Zucker identificaram
essas estruturas no ponto final de lesões sucessivas do hipotálamo. Moore chegou à
mesma estrutura por um outro caminho: através da marcação radioativa dos nervos que
saíam da retina, em uma rota nervosa distinta daquela responsável pela visão, o trato retinohipotalâmico,
o qual desemboca nos NSQs. Faltava, ainda, provar que os NSQs eram os
osciladores circadianos utilizando aqueles critérios apresentados acima.
Os NSQs são constituídos por dois conglomerados de células nervosas, designados
NSQ direito e NSQ esquerdo. Nos ratos, foi estimado que cada NSQ contém,
aproximadamente, 10.000 neurônios agregados em um volume de apenas 0.05 mm 3
(Guldner, 1976).
Em 1979, Inouye e Kawamura conseguiram isolar os NSQs “in vivo”, cortando todas
as ligações neurais entre os NSQs e o restante do hipotálamo, construindo o que eles
descreveram como “ilha hipotalâmica”. Nesse experimento, eles demonstraram a existência
de ritmos circadianos na atividade elétrica detectada por eletrodos localizados na região
hipotalâmica externa e interna aos NSQs antes do isolamento neural. Após este isolamento,
a ritmicidade era evidenciada somente nos potenciais medidos pelos eletrodos internos,
ficando a região externa arrítmica.
A demonstração mais dramática dos NSQs como principais osciladores circadianos
foi feita com o transplante de NSQs de hamsters “tau-mutantes” (que apresentam mutação
no período circadiano, τ ≈ 20h) em hamsters selvagens (τ ≈ 24h). Os animais lesionados,
que haviam ficado arrítmicos, passaram a apresentar ritmos de atividade-repouso com o
período do doador mutante (Ralph et al, 1990)!!!
A idéia de que os organismos possuem um único oscilador ou relógio circadiano
anatomicamente definido permeou os primeiros passos da história da identificação dessas
estruturas em espécies pertencentes aos diversos grupos vertebrados. Os NSQs, em
129

V Curso de Inverno
roedores, e a glândula pineal em aves e répteis, eram os grandes representantes desses
osciladores únicos, em vertebrados. Posteriormente, a retina veio se juntar como uma
terceira estrutura produtora de oscilações auto-sustentadas circadianas (Besharse & Iuvone,
1983) (Tosini & Menaker, 1996). Estudos posteriores acabaram por indicar que o
acoplamento entre essas três estruturas resulta no eixo central do sistema circadiano de
vertebrados. Este acoplamento é variável entre espécies, podendo cada espécie incorporar
uma, duas ou todas essas estruturas em seu eixo central circadiano (Menaker, 1982).
A incorporação de cada uma dessas estruturas no eixo central varia enormemente
quando se estudam espécies filogeneticamente próximas. Nas aves, por exemplo, o estudo
comparativo do efeito da pinealectomia em diversas espécies levava a resultados pouco
convergentes. A pinealectomia causava arritmicidade em certas espécies passeriformes,
modificava o padrão da atividade locomotora em outros (estorninho) e, finalmente, não
alterava este ritmo em outros (galos e codornas). O ritmo circadiano de produção de
melatonina em culturas de pinealócitos correspondentes às pineais dos três grupos era
igualmente robusto, indicando mesma capacidade oscilatória mas diferenças na
incorporação desta glândula no eixo central do sistema circadiano (Takahashi et al., 1980).
Em répteis, a variabilidade na incorporação de cada estrutura é ainda mais dramática, uma
vez que ocorrem divergências mesmo entre espécies de mesmos gêneros (Underwood,
1977).
Neste quadro aparentemente caótico, é notório o fato de que todos os mamíferos
apresentam os NSQs como osciladores centrais únicos, além de apresentarem uma
glândula pineal incapaz de sustentar oscilação quando isolada de suas aferências. A
glândula pineal assume o papel de eferência dos NSQs em mamíferos. A retina, por sua
vez, assume papel de aferência aos NSQs, sendo que os mamíferos constituem o único
grupo animal que apresenta fotorrecepção centralizada, exclusivamente retiniana. A única
outra espécie conhecida que apresenta exatamente esta mesma estrutura do sistema
circadiano (fotorrecepção exclusivamente retiniana, pineal não oscilatória e oscilador único
provavelmente no hipotálamo) são as feiticeiras (ciclóstomas como as lampréias)
localizadas no outro extremo da árvore filogenética dos vertebrados. Existem muitas
especulações interessantes sobre o porquê dessa estruturação unificada entre mamíferos e
diferenciada do restante dos vertebrados e uma das proposições deste fato curioso traz à
luz a conexão entre a “história fótica” vivenciada por cada espécie ao longo da evolução e
esta estruturação. Dentro dessa proposição, argumenta-se que os mamíferos evoluíram de
um grupo ancestral comum noturno. Essa hipótese ficou conhecida como a do “gargalo
noturno” (Menaker & Tosini, 1996; Menaker et al., 1997). Semelhanças na história fótica
seriam mais determinantes do que a proximidade filogenética entre espécies na
estruturação do sistema circadiano, como exemplificado pelas semelhanças observadas
entre os mamíferos e a feiticeira.
130

Cronobiologia
***
Os componentes do sistema circadiano de mamíferos estão associados às vias
aferentes e eferentes dos NSQs. A informação temporal do ciclo de claro-escuro chega à
retina e é enviada aos NSQs através do trato retino-hipotalâmico, que é distinto do trato
visual primário (Moore & Lenn, 1972) e do trato geniculo-hipotalâmico, que é originado do
folheto intergeniculado (Harrington & Rusak, 1986). Além deles, existem aferências da rafe
dorsal e de outras áreas adjacentes do hipotálamo. As eferências dos NSQs são os outros
núcleos do hipotálamo e outras áreas do sistema nervoso central, incluindo a glândula
pineal e a pituitária (referências em Golombek et al, 1997 e Moore-Ede, 1982). Essas
conexões indicam que os NSQs estão fornecendo informação temporal para a maioria dos
sistemas de controle do organismo.
Qual é, no entanto, a variável correspondente ao oscilador circadiano, nos NSQs?
Uma vez que os NSQs são um conglomerado de neurônios, o primeiro candidato à variável
de oscilador era a atividade elétrica, avaliada pela freqüência de disparos dos potenciais de
ação dos neurônios. Esta idéia era motivada também pelo fato das outras estruturas
oscilatórias (pineal e retina, bem como os olhos de insetos e moluscos (Block & Wallace,
1982), identificados como osciladores nos invertebrados) também terem natureza neuronal.
O experimento realizado pelo grupo de Bill Schwartz, em 1987, discutido em aula,
demonstrou que os potenciais de ação globais dos neurônios dos NSQs constituem as
aferências e eferências do oscilador, permanecendo a identificação final deste elusivo.
Mais tarde, ficou demonstrado que neurônios individuais dos NSQs apresentam
oscilações circadianas na atividade elétrica (Welsh et al., 1995), sendo que estas oscilações
têm períodos correspondentes aos determinados pelas mutações nos períodos das
atividades locomotoras, em roedores mutantes (Herzog et al., 1998). Chegara-se ao nível
celular dos NSQs e o notório fato de que organismos unicelulares apresentavam “sistemas”
circadianos, desde procariotos, indicava que a variável oscilatória, possivelmente comum
desde procariotos a vertebrados com estruturas anatômicas definidas para o relógio, deveria
estar no nível subcelular!
Referências Bibliográficas
Besharse JC, Iuvone PM (1983). Circadian Clock in Xenopus Eye Controlling Retinal Serotonin N-
acetyltrasnferase. Nature 305:133-135.
Block G, Wallace S (1982). Localization of a Circadian Pacemaker in the Eye of a Mollusc, Bulla.
Science 217:155-157.
Dunlap JC, Loros JJ, DeCoursey PJ, (editors) (2003). Chronobiology: Biological Timekeeping.
Sinauer Associates, Massachusetts, USA.
Enright JT (1970). Ecological Aspects of Endogenous Rhythmicity. Annual Review of Ecology and
Systematics 1:221-238.
131

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Golombek D, Cardinalli D, Aguilar-Roblero R (1997). Mecanismos de Temporizaçao em Vertebrados.
Em: Cronobiologia: Princípios e Aplicações. Marques N e Menna-Barreto L orgs. EDUSP.
Guldner FH (1976). Synaptology of the Rat Suprachiasmatic Nucleus. Cell Tissue Research
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Revisado por Gisele Akemi Oda e Regina Pekelmann Markus
132

Cronobiologia
Bases Moleculares do Relógio e Osciladores Periféricos
Erika Cecon
Laboratório de Cronofarmacologia
erika.cecon@usp.br
Com a constatação de que uma extensa variedade de funções biológicas exibe uma
periodicidade que persiste mesmo quando o organismo é transferido para um local com
condições ambientais constantes, iniciou-se uma incessante busca pela identificação do
relógio endógeno e pela compreensão de seu funcionamento.
Conforme visto anteriormente, o sistema circadiano apresenta-se organizado na
seguinte estrutura: vias aferentes, oscilador central e vias eferentes. Nos mamíferos, cinco
órgãos são fundamentais para a regulação circadiana de fenômenos fisiológicos e
comportamentais, sendo eles: 1) retina fotossensível, 2) trato retino-hipotalâmico, 3) núcleos
supraquiasmáticos (NSQ), 4) glândula pineal e 5) osciladores periféricos.
A informação luminosa percebida por estruturas fotossensíveis da retina é
transmitida aos NSQs através do trato retino-hipotalâmico. Este trato é composto pelos
axônios de neurônios provenientes do nervo óptico, no quiasma óptico, que projetam-se
sobre os NSQs na porção anterior do hipotálamo, sendo o glutamato o principal
neurotransmissor envolvido na sinalização fótica. Os NSQs, por sua vez, enviam sinais à
glândula pineal e aos demais órgãos osciladores periféricos, ajustando-os. Sob o controle
dos NSQs, a pineal produz ritmicamente o hormônio melatonina que, atuando como um
efetor neuroendócrino, sinaliza a presença da fase de escuro a todo o organismo. É possível
que esse hormônio exerça também um feedback (retro-alimentação) sobre o próprio SCN
auxiliando no ajuste fino do relógio central (Pando & Sassone-Corsi, 2001).
Além desta via, outro grupo de neurônios do trato retino-hipotalâmico projetam seus
axônios sobre o folheto intermediogenicular (IGL) que, por sua vez, conecta-se aos NSQs
pelo trato genicular-hipotalâmico, cujas principais inervações apresentam GABA (ácido γ-
aminobutírico), neuropeptídeo Y e encefalina como neurotransmissores (Moore & Card,
1994). O envolvimento desta via no sistema circadiano foi demonstrado por experimentos
nos quais a estimulação de IGL ou infusão de neuropeptídeo Y foi capaz de alterar a fase
dos ritmos circadianos, atrasando ou adiantando-os. O mesmo efeito também foi
demonstrado para GABA e, in vitro, sua presença é capaz de sincronizar os disparos de
neurônios em cultura (Liu & Reppert, 2000).
Outra via de aferência aos NSQs é a mediada pelos núcleos serotonérgicos da rafe.
Assim como o IGL, esta via está relacionada a mudanças de fase induzida por fatores nãofóticos
como, por exemplo, uma resposta a alterações comportamentais (Damiola et al.,
133

V Curso de Inverno
2000 e Stokkan et al., 2001). Todas essas vias de aferência aos NSQs estão representadas
na figura 1 abaixo.
Figura 1: Ajustes diretos e indiretos do núcleo supraquiasmático (SCN ou NSQ) de mamíferos
roedores. A luz estimula fotorreceptores retinianos, que transmitem o sinal fótico através do trato
retino-hipotalâmico (RHT) diretamente ao SCN ou por vias alternativas como a do folheto
intergenicular (IGL) e do núcleo da rafe (RN). A glândula pineal (PG), que é diretamente regulada
pelos SCN, exerce um feedback influenciando a sincronização dos SCN (Pando & Sassone-Corsi,
2001).
Desde meados da década de 60, apesar do pouco conhecimento existente a
respeito do controle dos ritmos biológicos, já era postulado que os metazoas deveriam
apresentar um relógio central responsável pelo controle de diversos relógios subsidiários,
uma vez em que são organismos altamente complexos (Ehret & Trucco, 1967).
Nessa mesma época já era também hipotetizado que os mecanismos básicos da
maquinaria do relógio seriam encontrados a nível celular, pois a presença de ritmos
circadianos já havia sido descrita nos mais diversos táxons, de vertebrados a organismos
unicelulares como Euglena e Paramecium e, inclusive, em neurônios isolados (Strumwasser,
1965).
A partir deste ponto, novas discussões foram iniciadas a respeito de qual
compartimento celular (núcleo ou citoplasma) exerceria o papel de relógio central. Muitos
experimentos com organismos anucleados apontavam para a hipótese de que o citoplasma
seria a porção celular essencial para a manutenção dos ritmos circadianos. Somente após a
realização de experimentos com actiomicina-D, um inibidor de transcrição gênica, que o
núcleo voltou a receber sua devida atenção.
Agora restava a dúvida: por onde começar a busca pelo relógio biológico dentro do
núcleo celular? Uma das respostas teve a seguinte lógica: considerando que a expressão de
um ritmo requer um sistema integrado, mutações em genes responsáveis pelo
134

Cronobiologia
desenvolvimento e funcionamento do sistema como um todo irão levar à manifestação de
ritmos anormais. E assim iniciaram-se os numerosos experimentos com a mosca-da-fruta
Drosophila melanogaster, com a qual era possível obter os mais variáveis mutantes.
Um dos primeiros trabalhos selecionou três mutantes de Drosófila para estudar os
ritmos de eclosão e de locomoção. Um dos mutantes era arrítmico, outro exibia um período
de 19h e o terceiro tinha período de 28h em relação ao ritmo de eclosão das pupas,
conforme demonstram os gráficos da figura 2.
Figura 2: Ritmo de eclosão em livre-curso (escuro
constante) de Drosófilas ritmicamente normais (A) ou mutantes (B-D), previamente mantidas em ciclo
claro-escuro 12:12, T=20º (Konopka & Benzer, 1971).
O ritmo de locomoção também se encontra alterado nesses mesmos mutantes (fig.
3), confirmando a ausência da expressão do relógio circadiano. Este trabalho de 1971 foi
importante por ter demonstrado a base genética de ritmos circadianos, comprovando
inclusive que os genes mutados, responsáveis pelos fenótipos com alterações nos ritmos,
estavam ligados ao cromossomo X (Konopka & Benzer, 1971).
Em 1994, foi identificado um gene cuja mutação altera dramaticamente a expressão
de ritmos circadianos em camundongos, afetando o período do ritmo quando em livre-curso
e a persistência dos ritmos em condição de escuro constante. (Vitaterna et al., 1994). Esse
gene foi nomeado de Clock (por Circadian Locomotor Output Cycles Kaput) e seu
mapeamento completo foi realizado em 1997 (King et al.).
Atualmente, o relógio central molecular de mamíferos é composto por oito proteínas:
PERIOD1, PERIOD2, PERIOD3, CLOCK, BMAL1, CRYPTOCHROME1,
CRYPTOCHROME2 E CASEÍNA KINASE Iε (Pando & Sassone-Corsi, 2001).
135

V Curso de Inverno
Figura 3: Ritmo de atividade locomotora (barras escuras) em Drosófilas ritmicamente normais (A) ou
mutantes (B-D), T=25ºC (Konopka & Benzer, 1971).
As proteínas CLOCK e BMAL1 são tidas como fatores de transcrição positivos, pois
induzem a transcrição gênica de cry1, cry2, per1 e per2 cujas proteínas resultantes, por sua
vez, atuam como repressores da transcrição gênica. PER e CRY formam heterodímeros e,
quando atingem determinada concentração, interagem com o heterodímero formado por
CLOCK e BMAL, evitando então que esses últimos ativem mais transcrição gênica. Como
conseqüência, os níveis de RNAm e de proteína de PER e CRY vão decrescendo até o
ponto e que tornam-se insuficientes para reprimir a atividade de CLOCK/BMAL, reiniciando
um novo ciclo. CLOCK/BMAL também regulam a transcrição do receptor nuclear órfão REV-
ERBα, que por sua vez inibe a transcrição de clock e bmal, levando a uma expressão
rítmica e anti-fásica desses fatores. Modificações pós-traducionais, como a atividade de
fosforilação da caseína kinase (CK Iε), parecem ser importantes também para a regulação
rítmica desses diferentes fatores, já que sua ausência gera fenótipos com ritmos circadianos
alterados (Gachon et al., 2004). Um modelo simplificado dessas alças de feedback
encontra-se na figura 4 abaixo.
Apesar dos grandes avanços obtidos na compreensão do funcionamento da
maquinaria do relógio biológico, ainda restam muitas dúvidas a respeito da conexão entre o
relógio central (NSQ) e os relógios periféricos localizados em muitos (senão em todos)
órgãos e tecidos animais.
Os genes de relógio descobertos nos neurônios do NSQ foram posteriormente
identificados em praticamente todas as demais células dos organismos, mas por estarem
tão distante da principal via de aferência sincronizadora (retiniana), sabia-se que o
mecanismo oscilatório apresentado na periferia deveria divergir daquele encontrado nos
NSQs. De fato, toda oscilação rítmica descrita em tecidos periféricos foi atribuída a um
controle neural proveniente do relógio central, sem o qual as oscilações desapareceriam.
136

Cronobiologia
Figura 4: Modelo simplificado das alças de feedback responsáveis pela expressão rítmica dos genes
do relógio no oscilador circadiano de mamíferos (Gachon et al., 2004).
O mecanismo geral de integração do sistema circadiano em mamíferos seria então o
seguinte (figura 5): o relógio central (NSQ) é ‘resetado’ a cada dia através da informação
fótica proveniente da retina, sincronizando sua ritmicidade endógena ao ciclo claro-escuro
ambiental. Uma vez sincronizados, os NSQs enviam a todo o organismo sinais neuronais e
humorais que controlam, principalmente, a secreção rítmica de hormônios importantes na
regulação de processos fisiológicos rítmicos. Como exemplo, podemos citar os
glicocorticóides produzidos pela glândula adrenal, que estão intimamente relacionados com
a marcação da fase de atividade do animal, ou então a melatonina, hormônio relacionado
com a marcação da fase de escuro. Indo um pouco mais além, a fase de atividade limita
outros ritmos, como a janela temporal em que ocorre a tomada de alimento ou a caça,
mantendo-os também sincronizados. Por outro lado, a sensação de fome e a alimentação
em si são fortes zeitgebers para a grande maioria dos relógios periféricos, propiciando pistas
temporais provavelmente através dos níveis de glicose plasmática, dos hormônios
relacionados aos processos digestivos ou mesmo pelas vias neurais provenientes do NSQ,
mas que não envolvem o trato retino-hipotalâmico (figura 1, para revisão). Essas pistas
137

V Curso de Inverno
temporais são capazes de arrastar os ritmos nesses relógios, sem que o relógio central seja
alterado (Damiola et al., 2000 e Stokkan et al., 2001). Os ritmos de alimentação e de
atividade / repouso também são capazes de influenciar a temperatura corporal, apesar de
esta ser majoritariamente controlada pelo NSQ. Por sua vez, a temperatura corporal
constitui outro forte zeitgeber para os relógios periféricos.
Até pouco tempo atrás, pensava-se que os relógios periféricos perdiam sua
capacidade oscilatória após alguns ciclos quando isolados do organismo, já que não
estariam mais sob o controle do oscilador central, enquanto que este apresentava uma
ritmicidade auto-sustentada. Isto de fato foi comprovado por diversos estudos, em que
cultura de células neuronais provenientes dos núcleos supraquiasmáticos ainda mantinham
disparos rítmicos, enquanto que órgãos periféricos deixavam de exibir qualquer ritmicidade
quando os NSQs eram lesionados. Justamente por este motivo que os osciladores
periféricos são muitas vezes referenciados como osciladores servos (slave oscillators) em
oposição ao oscilador central (master pacemaker).
Figura 5: Mecanismos de ajuste de fase dos osciladores circadianos central e periféricos em
roedores de hábito noturno (para maiores explicações, vide texto. Retirado de Schibler & Sassone-
Corsi, 2002)
138

Cronobiologia
Neste contexto, foi uma surpresa a descoberta de que uma cultura de células
imortalizadas de fibroblastos de ratos passava a expressar os genes do relógio ritmicamente
após entrar em contato com altas concentrações de soro (Balsalobre et al., 1998).
Posteriormente, essa suspeita de uma ritmicidade intrínseca foi definitivamente comprovada
por experimentos utilizando um gene-repórter para acompanhamento da transcrição do
gene per, que indicaram que sua ritmicidade era mantida por mais de 20 ciclos em diversos
tecidos periféricos isolados (Yoo et al., 2004), como podemos observar na figura 6. Tais
resultados apontam para um papel mais pontual dos NSQ. Assim, quando ausente, cada
tecido ou mesmo cada célula estaria livre para expressar sua ritmicidade própria, com um
período também próprio, que são capazes de persistir embora de forma totalmente
independente, seja em relação a outros órgãos, seja em relação a outros indivíduos. A
função do relógio central seria então de sincronizar todos esses relógios de modo que
entrem em fase uns com os outros e possibilitem a perfeita sincronização do meio interno ao
meio externo. Este conceito encontra-se esquematizado na figura 7 a seguir.
Figura 6: Análise da expressão circadiana do gene per2 ligado ao gene-repórter luciferase (cuja
bioluminescência foi medida e compõe o eixo y) em diferentes órgãos explantados imediatamente
antes do apagar das luzes (SCN = núcleo supraquiasmático; kidney = rim; RCA = área
retroquiasmática; liver = fígado; lung = pulmão; pituitary = glândula pituitária ou hipófise; tail = cauda),
retirado de Yoo et al., 2004.
139

V Curso de Inverno
Apesar dos grandes avanços na área, os mecanismos exatos de funcionamento da
maquinaria do relógio biológico, ou dos relógios biológicos, ainda estão longe de serem
totalmente compreendidos. A perspectiva é de que, cada vez mais, novos genes e novos
fatores de transcrição envolvidos neste processo sejam descobertos, compondo um cenário
ainda mais complexo de alças de feedback e de interações nos mais diversos níveis, desde
o núcleo celular até o nível sistêmico.
A presença de um oscilador interno capaz de perceber as alterações cíclicas
ambientais e transmiti-las ao resto do corpo de forma a organizar os diferentes osciladores,
é funcionalmente importante para garantir o sucesso adaptativo dos organismos. É
compreensível então que toda essa complexidade de mecanismos para que o organismo
sincronize-se ao meio externo tenha sido altamente conservada e selecionada no processo
evolutivo, garantindo-lhe a importante capacidade de antecipação aos fenômenos cíclicos
ambientais.
Figura 7: Sincronização do sistema temporizador de mamíferos. A) O relógio central, sincronizado
pela informação fótica, atua como um maestro orquestrando todos os demais osciladores
(periféricos). B) Na ausência do relógio central, os periféricos continuam oscilando mas as fases não
são mais sincronizadas entre si, resultando em animais comportamentalmente arrítmicos. (Retirado
de Gachon et al., 2004)
140

Cronobiologia
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Revisado por Gisele Akemi Oda e Regina Pekelmann Markus
141

V Curso de Inverno
Ajuste do Relógio Biológico: Aferências da
Retina à Glândula Pineal
Sanseray da Silveira Cruz-Machado
Laboratório de Cronofarmacologia
sanseray@usp.br
O organismo vivo multicelular precisa atuar de forma integrada e sincronizada. A
comunicação entre diferentes órgãos e sistemas pode ser feita de forma rápida e
direcionada, como ocorre com as informações que transitam através da rede neural, ou de
forma mais difusa e integradora, como ocorre com o sistema endócrino. Nos dois casos os
sistemas transmitem a informação em tempo real e os órgãos-alvo vão reagir conforme o
estado em que se encontram no momento em que recebem o estímulo (Markus et al, 2003,
2007).
Considerando os ciclos naturais aos quais somos submetidos, o organismo precisa
estar preparado para o amanhecer e para todas as demais fases das 24 horas do dia
(aproximadamente 12 horas de claro e 12 horas de escuro) para poder responder de forma
apropriada aos desafios que surgem. Para reconhecer estas variações no fotoperíodo, os
seres vivos necessitam de sensores que percebam a variação temporal de luz e também de
mecanismos que, através de sinais humorais e neurais, vão informar o estado de iluminação
ambiental ao organismo. Além disso, há necessidade de um relógio endógeno que marque o
tempo de forma independente de qualquer variação ambiental e que este seja sincronizado
por ciclos ambientais regulares, adequando os sinais eferentes a cada momento.
A principal variação ambiental percebida pelo organismo é a alternância claro-escuro.
Todos os vertebrados utilizam células fotorreceptoras especializadas para perceber as
variações luminosas no ambiente e sincronizar-se (figura 1). Entretanto, mamíferos e
vertebrados não-mamíferos fazem isso de forma diferente.
Os vertebrados não-mamíferos utilizam fotorreceptores circadianos especializados,
localizados na pineal e na retina. Tais células respondem à luz que penetra pela pele, crânio
e pelo tecido cerebral, gerando sinais que agem diretamente no relógio biológico central.
Nestes animais, os olhos não são necessários para a sincronização ao ciclo claro-escuro,
embora quando presentes proporcionem aumento na sincronização dos ciclos (Menaker,
2003).
Já os mamíferos têm fotorrecepção exclusivamente retiniana e usam fotorreceptores
especializados situados na retina para perceber as variações de luz no ambiente (figura 2A).
Acreditou-se, por muito tempo, que os cones e bastonetes, que são fotorreceptores visuais
clássicos da retina, constituíssem também os principais fotorreceptores para transmissão da
informação do claro/escuro ambiental para o relógio biológico (figura 2B). Eles são capazes
142

Cronobiologia
de traduzir uma onda luminosa em um sinal químico e com isso gerar um potencial elétrico
no nervo óptico (Tessier-Lavigne, 2000). Estes fotorreceptores, quando seletivamente
eliminados em experimentos com ratos e camundongos sem que houvesse dano adicional à
retina, não causam alteração na sincronização circadiana, demonstrando que um outro
receptor poderia estar envolvido no envio de informações ambientais para ajustar o relógio
biológico central (Menaker, 2003).
Figura 1 – Células Fotorreceptoras especializadas da retina: Cones e bastonetes são divididos em:
segmento externo (responsável pela fototransdução), segmento interno (onde se encontra a
maquinaria biossintética da célula) e o terminal simpático (que faz sinapse com outros neurônios)
(Adaptado de Baldo & Hamassaki-Britto, 1999).
De fato, recentemente foi demonstrada a existência da melanopsina, um
fotopigmento presente nas células ganglionares da retina, o qual faz parte de uma
superfamília de receptores acoplados à proteína G, altamente sensíveis à luz. A
melanopsina é expressa na retina em todas as classes de vertebrados examinadas até o
momento, sendo vista desde peixes até mamíferos. O padrão de expressão de melanopsina
difere entre as classes de vertebrados, mas sua presença em células ganglionares da retina
é constante. Nos mamíferos, essas são as únicas células que expressam melanopsina
(Panda et al, 2002). Tais células ganglionares projetam axônios diretamente para os núcleos
supraquiasmáticos (NSQ) através do trato retino-hipotalâmico. Assim, nos mamíferos, a
retina além de enviar informações visuais para o córtex para formar a visão via cones e
bastonetes, envia informações sobre a iluminação ambiental para áreas não-visuais, como o
143

V Curso de Inverno
NSQ, via células ganglionares, cones e bastonetes para promover a sincronização do
relógio biológico central às variações ambientais do fotoperíodo (Panda et al., 2002, rev.
Simonneaux & Ribelayga, 2003).
Figura 2 – Fotorrecepção na retina: (A) A luz atravessa várias estruturas antes de chegar à retina
propriamente dita. À direita (quadro) na região da fóvea, estão localizados alguns tipos celulares da
retina. (B) Esquema simplificado que mostra os principais tipos celulares da retina: fotorreceptores
(cones e bastonetes), células bipolares, células amácrinas, células horizontais e células ganglionares.
(Adaptado de Baldo & Hamassaki-Britto, 1999).
Este conceito funcional dos olhos realizando o papel de detecção de luz para
adequar o comportamento e as respostas fisiológicas é diferente da visão e emergiu
144

Cronobiologia
recentemente. Além disso, saber que a via retino-hipotalâmica opera de forma independente
da visão ainda nos permite explicar porque muitos sujeitos que são cegos totais, sem
nenhuma percepção luminosa de forma consciente, são capazes de ajustar o relógio
biológico ao ciclo claro-escuro ambiental (Foster, 1998; Markus et al, 2003).
A pineal (Epiphysis Cerebri) é uma singular e pequena glândula conhecida há mais
de 2000 anos e descrita fundamentalmente como um órgão rudimentar até cerca de 50 anos
atrás. Foi após o isolamento de uma substância ativa, realizada por Aaron Lerner em 1958,
que esta situação mudou.
Basicamente, a glândula pineal está localizada na linha média encefálica, projetandose
no teto diencefálico, normalmente conectada por uma ou mais hastes. A glândula
pertence ao grupo dos órgãos circunventriculares, que derivam de células ependimárias e
que se encontram situados fora da barreira hematoencefálica e em comunicação com o
sistema ventricular.
A pineal apresenta uma grande variabilidade entre as espécies. Em peixes e anfíbios
ela contém células fotorreceptoras semelhantes às células da retina, enquanto que em
mamíferos é tipicamente endócrina e não possui fotorreceptores desenvolvidos (figura 3A).
Didaticamente, os tipos celulares encontrados na glândula de animais adultos são
geralmente classificados em células parenquimais e células intersticiais. A primeira classe
de células é composta por pinealócitos (figura 3B) que apresentam características de um
paraneurônio, ou seja, um neurônio com propriedade de produzir substâncias (no caso da
pineal, produção de melatonina). Já as células intersticiais, também denominadas de células
de suporte, são compostas por células da glia, principalmente astrócitos e microglia (Erlich &
Apuzzo, 1985; Tricoire et al, 2002).
Nos mamíferos, a pineal faz parte, exclusivamente, da via eferente do sistema
circadiano. Como já abordado anteriormente, as informações da variação ambiental de
luminosidade chegam ao NSQ para ajustá-lo. A informação temporal gerada pelo relógio
biológico central (NSQ) chega a todo organismo principalmente através de uma via neural
que atinge a glândula pineal, estimulando-a a produzir melatonina que, ao ser liberada na
circulação, informa a presença do escuro às células do organismo. A lesão no NSQ não
abole a produção de melatonina pela glândula pineal, entretanto, dessincroniza o ritmo
diário da síntese deste hormônio (Simonneaux & Ribelayga, 2003).
A via neural referida anteriormente é formada pelo núcleo paraventricular (PVN) e a
coluna intermédio-lateral da medula espinhal, que levam estímulos do NSQ ao gânglio
cervical superior (gânglio simpático) que, por sua vez, inerva diretamente a glândula pineal
(figura 4) (Maronde & Stehle, 2007).
Os pinealócitos captam o aminoácido triptofano (Trp) da circulação de forma
constante ao longo das 24 horas. O triptofano é convertido em 5-hidroxitriptofano (5-HTP),
que por fim é convertido em serotonina (5-HT) (Simonneaux & Ribelayga, 2003).
145

V Curso de Inverno
Figura 3 – Evolução filogenética dos pinealócitos e sua estrutura microscópica: (A) Em peixes,
anfíbios, répteis e aves, as células da pineal atuam como células fotorreceptoras ou células
fotorreceptoras rudimentares, enquanto em mamíferos, as células da pineal são caracterizadas como
pinealócitos, as quais apresentam característica secretora. (B) Desenho ilustrativo da organização
microscópica da glândula pineal, onde pinealócitos estão envoltos por células interticiais. (Adaptado
de Nelson, 1995).
A inervação da glândula pineal é feita por fibras simpáticas originárias do gânglio
cervical superior. Na glândula, os axônios simpáticos interagem com pinealócitos e, através
da liberação de noradrenalina, controlam a síntese de melatonina (Simonneaux & Ribelayga,
2003). Além deste neurotransmissor, estes neurônios simpáticos também liberam ATP
concomitantemente, que atua como um co-transmissor nesta sinalização simpática (Mortani-
Barbosa et al., 2000).
A formação do hormônio melatonina (figura 5) é limitada pela presença da enzima
AA-NAT (aril-alquilamina N-acetiltransferase), restrita à fase de escuro. Com a noradrenalina
sendo liberada na fase de escuro pelas fibras simpáticas, adrenoceptores β1 são ativados,
acionando a via de transdução de sinal do segundo mensageiro AMP cíclico – PKA (proteína
kinase dependente de AMPc), que culmina na indução da transcrição do gene desta enzima.
A enzima AA-NAT é responsável por catalisar a conversão de serotonina em N-
146

Cronobiologia
acetilserotonina (NAS) que, por ação da enzima HIOMT (hidroxi-indol-O metiltransferase),
converterá NAS em melatonina. O ATP, por sua vez, ativa receptores purinérgicos do subtipo
P2Y1, iniciando uma cascata de sinalização que envolve um aumento de cálcio intracelular,
resultando em uma potenciação sobre o efeito noradrenérgico na produção noturna de
melatonina (Ferreira et al., 1994; Ferreira & Markus, 2001).
Figura 4 – Via clássica de aferência da retina à glândula pineal: Aferências da retina chegam ao NSQ
pela trato retino-hipotalâmico. Do NSQ, as informações fotoperiódicas seguem via PVN e descendem
pela medula espinhal através da coluna intermédio-lateral cujo neurônio faz sinapse com neurônios
do gânglio cervical superior, o qual emite projeções diretas à glândula pineal, liberando noradrenalina
durante o escuro, estimulando a síntese do hormônio melatonina. (Adaptado de Bloom & Fawcett,
1994).
É importante ressaltar que, no caso de roedores, a presença de luz bloqueia a
transcrição do gene da AA-NAT e, por isso, a síntese de melatonina ocorre apenas no
escuro. Como NAS e melatonina têm alto coeficiente de partição óleo/água, elas são
rapidamente transferidas para a corrente sanguínea e líquor, e exercem as mais variadas
funções nos mais diversos tipos celulares (Minneman & Wurtman, 1976; Tricoire et al, 2002;
Simonneaux & Ribelayga, 2003).
147

V Curso de Inverno
Figura 5 – Síntese de Melatonina: (A) Triptofano é captado da circulação e metabolizado em 5-
hidroxitriptofano (5-HTP) na mitocôndria da pineal por ação da enzima TRIPTOFANO HIDROXILASE.
Em seguida, 5-HTP é convertido em serotonina no citoplasma da pineal por um aminoácido aromático
descarboxilase; esta via está ativada continuamente ao longo do dia. Somente na fase de escuro há
liberação de noradrenalina pelas terminações simpáticas, iniciando a transcrição gênica da AA-NAT,
enzima limitante para a síntese de melatonina, que converterá serotonina em NAS, que será
convertida em melatonina por ação da enzima HIOMT. (B) Gráfico demonstrando o ritmo de produção
de melatonina que ocorre durante o escuro (Adaptado de Bloom & Fawcett, 1994; Simonneaux &
Ribelayga, 2003).
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Revisado por Gisele Akemi Oda e Regina Pekelmann Markus
149

V Curso de Inverno
Eferências do Sistema Circadiano - Melatonina,
o hormônio do escuro
Marco Antonio Pires Camilo Lapa
marco_lapa_bio@yahoo.com.br
Eduardo Koji Tamura
ektamura@yahoo.com.br
Laboratório de Cronofarmacologia
Melatonina como eferência do sistema de temporização
A melatonina é o hormônio produzido pela glândula pineal, conhecido como
hormônio marcador do escuro. Esta indolamina derivada da serotonina foi primeiramente
descrita por Lerner e colaboradores (1958) como a substância produzida pela glândula
pineal durante o escuro que promovia a mudança da cor da pele de anfíbios.
Como já visto, sua via biossintética é sincronizada ao ciclo claro-escuro ambiental.
Nos mamíferos, a informação luminosa é percebida pelos fotorreceptores retinianos,
transmitida aos núcleos supraquiasmáticos (NSQs) e ao núcleo paraventricular
hipotalâmico, que se conecta então aos gânglios cervicais superiores. Na fase de escuro, as
fibras simpáticas pós-ganglionares liberam noradrenalina, que ativa receptores β-
adrenérgicos presentes na glândula pineal, estimulando então a produção de melatonina
(figura 1).
Figura 1: Via biossintética da melatonina, controlada pelo ciclo claro/escuro. Á esquerda, a presença
de luz inibe esta via, enquanto que na fase de escuro (à direita), ela é estimulada. NSQ – núcleo
supraquiasmático; GCS – gânglio cervical superior.
A síntese de melatonina inicia-se com a captura do aminoácido triptofano a partir da
circulação, que é convertido em 5-hidroxitriptofano e em serotonina. Esta, por sua vez, é
acetilada a N-acetilserotonina (NAS) em uma reação dependente da enzima aril-alquilamina-
150

Cronobiologia
N-acetiltransferase (AA-NAT), cuja expressão gênica varia ao longo do dia. Por fim, a NAS é
metilada pela enzima hidroxindol-O-metiltransferase (HIOMT), formando a melatonina (figura
2).
Figura 2: Representação da via metabólica pela qual o aminoácido triptofano é convertido em
melatonina. As enzimas que convertem o triptofano em serotonina, a triptofano hidroxilase 1 e a 5-
hidroxitriptofano descarboxilase, possuem uma ampla distribuição no organismo, sendo a produção
de serotonina muito maior nos tecidos neurais. As duas enzimas que convertem serotonina em
melatonina possuem uma distribuição mais limitada. Retirado e adaptado de Reiter et al. (2000).
Na fase de escuro, a atividade da enzima AA-NAT está aumentada em até 100 vezes
em relação à fase de claro (fig. 3). Este aumento, no caso de mamíferos roedores, é devido
ao aumento da transcrição gênica dessa enzima decorrente da sinalização intracelular
iniciada pela ativação de receptores β-adrenérgicos. Já em ungulados e humanos, o que
garante a presença rítmica desta enzima é o controle de sua degradação por proteassomas,
sendo então sintetizada continuamente, porém, com menor degradação durante a fase de
escuro (Stehle et al., 2001).
A melatonina com função eferente, ou seja, sinalizadora para o organismo da fase de
escuro ambiental do dia e do fotoperíodo do ano, é produzida principalmente pela glândula
pineal. Dentre os vertebrados, existem alguns munidos de estruturas capazes de perceber e
sinalizar as condições de claro e escuro ambiental, como a retina e a própria glândula
pineal. Em alguns casos, a melatonina produzida na retina pode fazer a sincronização por si
só, sem a interferência da pineal ou do NSQ. E na ausência da retina, certas espécies
151

V Curso de Inverno
conseguem sincronizar seus ritmos circadianos apenas através do NSQ ou da pineal
(Chabot & Menaker, 1992).
Figura 3: Regulação da via biossintética de melatonina pela presença rítmica da enzima AA-NAT. Em
roedores, a ausência de luz estimula a transcrição gênica desta enzima, resultando na síntese de N-
acetilserotonina (NAS), precursor imediato da melatonina
Para a determinação dessa atividade sincronizadora proveniente da pineal foram
feitos experimentos por Gwinner e Benzinger (1978) em que estorninhos (Sturnus vulgaris)
foram pinealectomizados e tratados com injeção constante de melatonina, causando um
processo de atividade contínua. Em outro grupo de aves enucleados e também
pinealectomizadas, foram aplicadas doses diárias de melatonina somente na fase de
escuro, e estes animais sincronizaram normalmente. Estes experimentos realçam o papel
eferente da melatonina, sendo ela capaz de sincronizar o organismo na ausência de
aferência e de oscilador. Seguindo este mesmo raciocínio, doses diárias de melatonina são
utilizadas na sincronização de cegos totais humanos (Lockley et al., 2000).
No entanto, em algumas aves, como pombos e codornas, (aquelas em que a retina
constitui um oscilador circadiano), a própria melatonina produzida pela retina circula por todo
o organismo, sincronizando o ritmo de atividade locomotora nesses animais (Foà &
Menaker, 1988).
Em mamíferos, a melatonina atua de diferentes formas na regulação da reprodução,
dependendo da espécie. O que eles têm em comum é o fato de utilizarem a informação
sazonal endógena, através da duração da liberação de melatonina para que a reprodução e
o nascimento da prole ocorram nos momentos mais favoráveis.
Isso é mais perceptível em mamíferos que habitam locais com grandes variações
climáticas, que tendem a reproduzir em épocas em que o clima, por exemplo, favoreça a
obtenção de alimentos e que a temperatura não seja prejudicial para o crescimento da prole.
152

Cronobiologia
Considerando estas afirmações, era de se esperar que, dependendo da duração da
gestação, os animais de diferentes espécies deveriam ser férteis em épocas sazonais
diferentes.
Experimentos realizados em Hamster Siberiano, que apresentam um período
gestacional curto, demonstraram que, conforme a duração da fase de claro aumenta, estes
animais se tornam férteis. Animais de longo período de gestação, como os carneiros, se
tornam férteis em épocas do ano em que os dias são mais curtos. Tanto os carneiros quanto
os hamsters, quando pinealectomizados, perdem estas características, voltando a
apresentá-las após administração diária de melatonina por um tempo correspondente à
duração do escuro no período fértil.
Além dos mamíferos, a melatonina é um importante sinalizador para o estado
reprodutivo também em peixes e aves, atuando sobre a atividade locomotora em peixes,
aves e répteis, e sobre a regulação da temperatura corporal desses dois últimos grupos. No
entanto, a maioria dos estudos com melatonina é realizada em mamíferos e, atualmente,
sabe-se que este hormônio exerce inúmeras ações, tanto centrais como periféricas (figura
4).
Figura 4: Melatonina atua principalmente como um sincronizador endógeno, mas também pode atuar
em outros sistemas como, por exemplo, na imunidade, pressão sanguínea, etc (Claustrat et al.,
2005).
As Múltiplas Funções da Melatonina
Além da glândula pineal, a melatonina pode ser produzida também por outros
órgãos, embora a sua expressão rítmica com função sinalizadora da fase de escuro se
aplique somente à melatonina proveniente da pineal ou da retina, como já mencionado.
Segundo Reiter e colaboradores (2007), a melatonina pode ser produzida pela retina,
corpo ciliar, glândula Harderiana, cérebro, timo, epitélio respiratório, medula óssea, trato
digestório, ovário, testículo, placenta, leucócitos e pele. Além disso, melatonina foi
encontrada em altas concentrações na bile de vários mamíferos, incluindo o homem. Essas
153

V Curso de Inverno
concentrações chegam a ser de duas a três vezes maiores do que as concentrações da
melatonina noturna no sangue, porém, sua origem ainda é desconhecida.
Apesar de a melatonina extra-pineal não contribuir para a ritmicidade plasmática
deste hormônio, pode contribuir para diversos efeitos parácrinos e/ou autócrinos, permitindo
a efetuação de ações que exigem altas concentrações de melatonina. De fato, a
concentração noturna máxima de melatonina no plasma em mamíferos está na faixa de pM
– nM e ações dependentes da produção extra-pineal são observadas em concentrações
maiores, na faixa de µM – mM. Dentre os efeitos parácrinos, podemos citar a melatonina
produzida pela retina, que participa do processo de adaptação para a visão noturna, ou
então a melatonina produzida por células imunocompetentes, que pode atuar sobre
processos inflamatórios ou exercer atividade antibiótica (Tekbas et al, 2007).
A melatonina pode atuar de diversas formas: ativando receptores específicos
localizados na membrana de diversos tipos celulares ou então interagindo diretamente com
alvos intracelulares, já que se trata de uma molécula lipofílica com alta capacidade de
entrada nas células. Com relação ao primeiro caso, sabe-se que a melatonina se liga com
alta afinidade (pM a nM) a receptores clássicos de membrana (MT1, MT2 e Mel1c) que
pertencem à família de receptores de sete domínios transmembrânicos acoplados à proteína
G.
Os receptores MT1 e MT2 podem ser encontrados em mamíferos, anfíbios, peixes e
aves, enquanto o receptor Mel1c pode ser encontrado em todas estas classes, com exceção
dos mamíferos. Os mecanismos de ação destes receptores são dependentes do local em
que se encontram, apresentando uma grande variedade de mecanismos descritos (figura 5).
A ligação da melatonina a receptores intracelulares tem sido sugerida em alguns
modelos como, por exemplo, células mononucleares do sangue periférico. De maneira geral,
acredita-se que exista um “sítio receptor” (MT3) para a melatonina, muito provavelmente
constituído pela enzima quinona redutase II, que atue como um receptor intracelular (figura
6).
154

Cronobiologia
Figura 5: Cascatas de sinalização que podem ser promovidas pela ativação de receptores de
melatonina (Masana e Dubocovich, 2001).
Figura 6: Mecanismos de ação da melatonina. (Boutin et al., 2005).
Um dos principais mecanismos de ação da melatonina observados em baixas
concentrações é a capacidade de ligação à calmodulina, ligação esta de alta afinidade,
sugerindo uma relevância fisiológica. Considerando que a calmodulina participa da maioria
dos eventos intracelulares em vertebrados superiores, além de possuir capacidade de
ligação e regulação de uma grande diversidade de proteínas-alvos, incluindo enzimas,
canais iônicos, receptores e proteínas do citoesqueleto, a interação melatonina-calmodulina
pode interferir em diversas modificações de funções celulares.
Devido à existência de tantos mecanismos de ação, não é de se estranhar que uma
grande diversidade de efeitos seja atribuída a este hormônio, conforme esquematizado na
figura 7.
Um dos efeitos mais conhecidos e bem estudados de altas concentrações de
melatonina é a capacidade de atuar como antioxidante. Os radicais livres possuem alta
reatividade, o que leva à oxidação de moléculas estruturais e essenciais para a atividade
celular. Outro mecanismo de ação que pode resultar neste efeito é o aumento da atividade
155

V Curso de Inverno
de enzimas antioxidantes (Chang HM et al., 2008; Kędziora-Kornatowska et al., 2008).
Várias ações da melatonina são atribuídas a esta capacidade antioxidativa. Como exemplo,
indivíduos da espécie Drosophila melanogaster vivem por aproximadamente 60 dias e a
administração de melatonina juntamente com o alimento promove um aumento no tempo de
vida de aproximadamente 20 dias. Estes efeitos são atribuídos à prevenção da formação de
radicais livres.
Figura 7: Esquema descrevendo diversas ações da melatonina (Hardeland et al., 2006).
A melatonina também atua sobre processos fisiopatológicos no organismo como, por
exemplo, sobre o processo inflamatório, no qual modula o ritmo circadiano observado na
espessura das patas de camundongos cronicamente inflamados por injeção de Bacillus
Calmette-Guerin. Foi observado um ritmo onde o edema era maior na fase de claro do que
na de escuro e deixava de existir em animais pinealectomizados, voltando após a
suplementação de melatonina (dose fisiológica) na fase de escuro (Lopes et al., 1997). Em
modelo de inflamação aguda, Cuzzocrea e colaboradores (1999) demonstraram que a
inflamação aguda induzida por carragenina aumenta o exsudato pleural e a mobilização
leucocitária em ratos mantidos por 24 horas em luz constante durante uma semana, sendo
que a reposição exógena de melatonina inibe esse aumento. Essa hipótese de que a
melatonina seria capaz de interferir em processo inflamatório foi corroborada por Lotufo e
colaboradores (2001) em experimentos que demonstram uma inibição da interação
156

Cronobiologia
neutrófilo-endotélio pela melatonina, processo necessário para que ocorra a migração de
neutrófilos para o tecido lesionado (figura 8).
Figura 8: Após um estímulo lesivo, os leucócitos que trafegam na região central do vaso sofrem uma
marginalização e interagem com as células endoteliais num processo denominado rolamento,
desencadeado através de moléculas de adesão principalmente da classe das selectinas. Já as
integrinas promovem uma maior interação com as células endoteliais resultando na mudança
conformacional das células que transmigram para o local do estímulo.
Um dos mecanismos pelos quais a melatonina exerce seus efeitos é a modulação do
tônus vascular, onde atua de maneira dependente do modelo em estudo. Na ausência da
camada interna (células endoteliais), a melatonina atua sobre as células musculares lisas da
artéria caudal de ratos através de dois receptores distintos que desencadeiam efeitos
antagônicos: o subtipo MT1 promove a potencialização da vasoconstrição, enquanto o
subtipo MT2 promove a vasodilatação.
Experimentos realizados por Pontes e colaboradores (2006) demonstraram a
modulação recíproca entre a glândula pineal e o sistema imune. Foi observado que mães
que estavam com mastite (um processo inflamatório não infeccioso) tinham os níveis de
melatonina noturnos no colostro muito inferiores ao nível de mães saudáveis, indicando uma
inibição da produção de melatonina da pineal concomitantemente ao processo inflamatório.
Em um artigo de 2007, Markus e colaboradores caracterizaram o eixo imune-pineal ao
observar que a melatonina noturna produzida pela glândula pineal, e que era encontrada no
colostro e no leite, caía à zero com o aumento da citocina TNF-α na circulação de mães que
realizaram partos por cesariana. Glândulas tratadas in vitro com esta mesma citocina
também tiveram sua produção de melatonina inibida (Fernandes et al., 2006).
Atualmente, a melatonina tem sido muito investigada em humanos, onde não possui
funções diretas na modulação da reprodução mas é muito conhecida por contribuir em
processos relacionados ao sono, a temperatura corporal e também em enfermidades como
Jet lag, depressão sazonal e câncer.
157

V Curso de Inverno
Devido a esta grande diversidade de mecanismos de ações que ocorrem de acordo
com a concentração e com o local de ação, a melatonina tem sido amplamente estudada
por diversos grupos e nos mais diferentes sistemas. Apesar dos vários efeitos fisiológicos e
fisiopatológicos já demonstrados e bem estabelecidos por toda a literatura, muitos destes
efeitos não estão elucidados, abrindo um grande campo de estudo com esta importante
molécula encontrada nos mais diversos organismos.
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V Curso de Inverno
Aspectos Evolutivos da Melatonina
Daiane Gil Franco
Laboratório de Cronofarmacologia
daianegfranco@yahoo.com.br
A melatonina é uma indolamina bastante conservada entre os organismos, assim
como sua biossíntese. Por ter sido descoberta na glândula pineal de um bovino, por muito
tempo se acreditou que a melatonina era um hormônio exclusivo de mamíferos. Hoje
sabemos que esta molécula não só está presente em outros organismos, como também sua
definição como hormônio não atende a todas as funções por ela desempenhadas. Neste
capítulo, vamos dar um enfoque evolutivo dos possíveis papéis da melatonina nos diferentes
táxons.
Além dos vertebrados, já foi identificada a presença de melatonina em bactérias,
protozoários, macroalgas, plantas vasculares, fungos e invertebrados (Hardeland &
Poeggler, 2003), incluindo gastrópodes, crustáceos e insetos (Vivien-Roels & Pévet, 1993).
Por outro lado, existem poucas ou nenhuma evidência da presença da melatonina em
briófitas, pteridófitas, esponjas, anelídeos, quelicerados e equinodermos (Hardeland &
Poeggler, 2003). Em cada um dos grupos onde a melatonina já foi descrita, ela está
envolvida em diferentes processos tornando difícil a tarefa de classificá-la funcionalmente.
Como já vimos anteriormente, a via predominante da síntese de melatonina, que
ocorre na glândula pineal de mamíferos e em muitos outros organismos, se inicia pela
conversão do aminoácido triptofano em 5-hidroxitriptofano (5-HTP), o qual é então
convertido em serotonina (5-HT). A 5-HT é então acetilada pela enzima arilalquilamina-Nacetiltransferase
(AA-NAT) formando a N-acetilserotonina (NAS). Por fim, esta última é
metilada pela enzima hidroxindol-O-metiltransferase (HIOMT) dando origem à melatonina.
Além dessa, a pineal pode recorrer a outras vias que terão como produto final a 5-
metoxitriptamina (5-MTP), ou ácido acético 5-metoxindol (5-MIAA) ou ainda 5-metoxitriptofol
(5-ML) (Simonneuax & Ribelayga, 2003). Em outros organismos, como veremos adiante, a
via de biossíntese da melatonina pode sofrer alterações.
A melatonina é considerada um hormônio por desempenhar papéis típicos
dessa classe de substâncias. Os hormônios são definidos classicamente como mensageiros
químicos que são sintetizados por um órgão endócrino e liberados na circulação para atuar
em tecidos localizados em outras áreas do organismo através de receptores. A melatonina
cumpre com todos esses parâmetros, participando, portanto, dessa classificação.
Entretanto, muitas características da melatonina a tornam diferente dos hormônios, como
veremos ao longo do texto.
160

Cronobiologia
É necessário deixar claro que, para cada grupo citado a seguir, a melatonina
desempenha dezenas de funções diferentes e, neste texto, abordaremos apenas algumas
delas que são mais interessantes ou mais descritas na literatura.
Organismos unicelulares
Para entendermos a função primordial da melatonina é necessário olharmos para os
organismos mais primitivos, ou seja, os unicelulares.
A primeira descrição da presença de melatonina em um organismo fora do reino
animal se deu em um dinoflagelado bioluminescente, Gonyaulax polyedrum (Poeggler et al.,
1991). Esse organismo produz uma grande quantidade de melatonina, muitas vezes
superior à encontrada na glândula pineal de mamíferos, e de forma rítmica semelhante à
encontrada nos vertebrados, ou seja, com um pico de produção na fase escura.
Nestes organismos a simulação de um dia de inverno (fotofase curta e temperatura
baixa) é capaz de induzir o encistamento. A interrupção da escuridão por 2 horas de luz
previne a formação do cisto, mesmo quando a duração da fase clara continua menor que a
duração da fase escura (dia curto). Quando é dado um fotoperíodo que não induz o
encistamento, a incubação com melatonina e seu metabólito 5-MTP é capaz de promover a
formação do cisto. Isso mostra que essas indolaminas podem ser mediadoras do escuro
nesses organismos (Balzer & Hardeland, 1991). Nas espécies de dinoflagelados a
melatonina é desacetilada para formar 5-MTP, sendo esta, talvez, um agonista mais
importante do que a melatonina no processo de estimulação da bioluminescência e do
encistamento (Hardeland et al., 1996). O pico de melatonina e da 5-MTP se dão em
momentos diferentes da fase escura. A primeira ocorre no início enquanto que a segunda
ocorre na segunda metade da escotofase (fase de escuro do ciclo claro/escuro).
O metabolismo da melatonina nesses organismos pode se dar pela via enzimática
pela qual serão formados os compostos metilados ou por reações não-enzimáticas com
radicais livres (ex: radicais catiônicos fotoxidantes) levando à formação de N1-acetil-N2-
formil-5-metoxiquinuramina (AFMK) (Hardeland et al., 1996). De acordo com essa segunda
via, a melatonina parece ter uma grande importância na proteção do organismo reduzindo
os radicais livres diretamente, sem necessitar da ativação de enzimas antioxidantes (Antolín
et al., 1997).
É possível, portanto, determinar pelo menos duas funções da melatonina nesses
organismos: uma ação fototransdutora e uma ação antioxidante. Essas duas funções
podem, na verdade, estar essencialmente interligadas. Por ser altamente degradada pela
luz na presença de catalisadores intracelulares, a melatonina só aparece em grandes
concentrações na fase escura. Nessa fase, a melatonina vai reagir com substâncias
resultantes da fotoxidação, atuando como antioxidante. Desta forma, muitos organismos
devem ter desenvolvido mecanismos que utilizavam essa molécula como mediadora do
escuro
161

V Curso de Inverno
Plantas
A determinação de melatonina em plantas requer um cuidado maior. Diferentemente
dos animais, as plantas possuem uma grande quantidade de indolaminas e outras
substâncias que possuem estrutura e peso molecular semelhantes ao da melatonina,
dificultando o trabalho de identificação das moléculas. Dentre essas substâncias estão, por
exemplo, as auxinas (IAA, ácido acético-3-indol), que têm uma estrutura molecular muito
próxima da melatonina, pois também possuem um grupo indol (figura 1). As técnicas
utilizadas para identificação se baseiam no peso molecular e na reatividade com anticorpos
(HPLC - high performance liquid chromatography e radioimunoensaio, respectivamente). Até
o momento já foi identificada a presença da melatonina em algas e angiospermas (mono e
dicotiledôneas) (Cassone & Nateson, 1997).
Figura 1: Melatonina e outros importantes hormônios de plantas. (A) Melatonina (B) Auxina (C)
Giberelina A1 (D) Citocinina cis-Zeatina (Cassone & Nateson, 1997).
Pouco se sabe sobre a via biossintética de melatonina nos vegetais. Um trabalho de
Murch e colaboradores (2000) mostrou que esta via pode ser parecida com a dos
vertebrados, tendo formação de serotonina como precursora da melatonina. Além disso, a
função da melatonina nas plantas também é motivo de discussão.
Ainda não existe na literatura um resultado satisfatório que indique o papel da
melatonina sobre um ritmo circadiano ou anual das plantas. A floração é bastante estudada
mas, até o momento, apenas na planta de dia-curto (florescem no solstício de inverno),
Chenopodium rubrum, a melatonina influenciou na resposta fotoperiódica de floração (Kolár
et al., 2003). Em outras espécies, de dia longo ou curto, o tratamento com melatonina (100
ou 500 µM) bloqueou a floração (Van Tassel, 1997; Wolf et al., 2001). Em comparação com
o que se sabe sobre os efeitos da melatonina em animais, são feitas especulações sobre
seus efeitos nas plantas como antioxidante (Hardeland & Poeggeler, 2003), antiapoptótica
(Jou et al., 2004) e como antagonista da calmodulina e do citoesqueleto (Benítez-King &
Antón-Tay, 1993). O efeito antioxidante é de grande interesse, pois são encontradas grandes
quantidades de melatonina em sementes e frutas (Balzer & Hardeland, 1996).
Alguns autores acreditam que, nas plantas, a melatonina possa ter uma ação
exclusiva e semelhante à do hormônio auxina. Estas são estruturalmente parecidas, como
dito anteriormente (figura 1), porém existem poucas evidências de que a melatonina possa
atuar da mesma forma que a auxina. Em um estudo de cultura de secções de caule, a
auxina foi capaz de induzir fortemente a formação de raízes, já a melatonina teve pouca
influência (Murch et al., 2001). Acredita-se que a melatonina possa ser convertida em auxina
ou em um agonista desse hormônio.
Uma última hipótese de qual seria a finalidade da presença de melatonina em
plantas é o seu papel ecológico. A ingestão de plantas pode elevar os níveis dessa
indolamina no organismo (Reiter et al., 2001) agindo como um metabólito secundário, assim
162

Cronobiologia
como muitos alcalóides e, portanto, pode desempenhar o papel de sinalizadora para alguns
herbívoros. Um exemplo é o de que doses farmacológicas de melatonina diminuem a
fertilidade em Drosophila melanogaster (Finocchiaro et al., 1988). Desta forma, a planta se
torna menos atraente para o inseto quando possui melatonina ou um precursor desta, como
a triptamina. Curiosamente, uma grande concentração de melatonina tem sido encontrada
em plantas medicinais usadas milenarmente (Tanacetum parthenium, Hypericum
perforatum, Scutellaria baicalensis).
Insetos
Entre os insetos, a mosca da fruta é a mais estudada em relação a melatonina. A
Drosophila melanogaster possui um padrão diferente em relação à maioria dos organismos
estudados quanto à expressão rítmica de melatonina, ou seja, há uma maior liberação
dessa indolamina na fase clara em relação à fase escura (Hintermann et al., 1996).
A enzima chave no processo de biossíntese da melatonina em mamíferos é a AA-NAT,
cuja expressão e atividade são maiores à noite. Já em D. melanogaster, foi clonada uma
enzima que converte 5-HT em NAS, chamada de AA-NAT2. Esta possui uma atividade
diurna predominante (Hintermann et al., 1996). Avaliando a seqüência dessas enzimas em
um estudo de cladística se propôs que a biossíntese da melatonina em Drosophila, e
possivelmente em outros artrópodes, tenha uma relação homoplástica (convergência) com a
via encontrada em vertebrados (Cassone & Natesan, 1997). Isso quer dizer que a via de
biossíntese da melatonina deve ter surgido mais de uma vez na escala evolutiva.
Na Drosophila, a AANAT2 é expressa em todo o sistema nervoso e intestino sendo
importante para a neurotransmissão, esclerotização da cutícula e talvez para o ritmo de
expressão da melatonina, regulando fenômenos fotoperiódicos (Hintermann et al., 1996).
Não se sabe ao certo qual o real papel da melatonina nessa mosca, mas o estudo de
Bonilla e colaboradores (2002) indica que a ingestão de melatonina adicionada ao meio
nutritivo de larvas prolongam a longevidade e aumentam a resistência a mudanças na
temperatura ambiental e ao estresse oxidativo provocado por paraquato (substância tóxica,
cáustica e irritante usada como herbicida).
A grande maioria dos trabalhos com melatonina em invertebrados se restringe à
Drosophila por ser esta o modelo biológico desse grupo de animais. Porém, melatonina já foi
estudada em outros insetos como abelhas, baratas, moscas, gafanhotos, entre outros. Em
grande parte desses insetos, foi demonstrado que a concentração de melatonina varia
ritmicamente com um pico que coincide com a fase noturna e está envolvida com o controle
circadiano do ritmo de eclosão (Meyer-Rochow & Vakkuri, 2002). Assim, a mosca da fruta
parece ser uma exceção no mundo dos insetos.
Peixes
A glândula pineal de peixes é fotossensível e gera melatonina circulante de forma
rítmica de acordo com um determinado fotoperíodo. A retina também produz melatonina sob
163

V Curso de Inverno
essas condições, a qual age de forma parácrina. Assim como em mamíferos, a
concentração dessa indolamina é maior durante a fase escura (Iigo et al., 1994). A
pinealectomia pode alterar o ritmo de atividade e alimentação gerando até mesmo padrões
arrítmicos. Estes dados suportam a idéia de que, nos peixes, a pineal e sua eferência
(melatonina) atuam como um relógio circadiano. Os peixes possuem um sistema
multioscilatório que depende da glândula pineal, da retina e do núcleo supraquiasmático.
Este é um padrão que veremos entre todos os vertebrados não-mamíferos (Falcón, 1999). O
acoplamento diferente entre esses osciladores gera os padrões rítmicos diferentes entre as
espécies, ou seja, dá origem às espécies diurnas, noturnas e outras que possuem um ritmo
bimodal.
Os estudos do papel da glândula pineal em peixes iniciaram há 40 anos. Através
destes estudos fica claro que esta glândula está envolvida em inúmeras funções
comportamentais e fisiológicas que
possuem padrões rítmicos diários
ou anuais. Entre essas funções,
podemos citar: a atividade
locomotora (incluindo a migração
vertical), a procura por alimento, a
preferência por temperaturas
adequadas, osmorregulação,
pigmentação da pele, reprodução e
crescimento. O papel da melatonina
na reprodução dos peixes teleósteos é o mais estudado, embora a grande variabilidade dos
resultados obtidos entre indivíduos de espécies diferentes, ou até na mesma espécie,
considerando sexo, condições de iluminação ou fase reprodutiva diferentes, gerem muitas
controvérsias (Ekström & Meissl, 1997; Mayer, 1997).
Um estudo interessante sobre memória indica que em um peixe (Zebrafish) a
melatonina suprime a formação da memória noturna. Como este peixe é diurno, o
aprendizado de uma tarefa operacional ocorre melhor de dia do que de noite. O tratamento
durante o dia com melatonina resulta em uma má formação da memória semelhante ao que
acontece à noite. Já a pinealectomia promove uma melhora no aprendizado em animais
mantidos em escuro constante (Rawashdeh et al., 2007).
Anfíbios
A primeira evidência de que a glândula pineal produzia uma substância biologicamente
ativa partiu de um trabalho de McCord e Allen, em 1917, no qual extrato da glândula de boi
foi usado em pele de um anfíbio, evidenciando a capacidade de uma substância, que mais
tarde foi denominada melatonina, em alterar a pigmentação através da movimentação de
grânulos contendo melanina (melanossomas) no interior dos melanóforos dermais.
164

Cronobiologia
Assim como em peixes, a glândula pineal de anfíbios é frontal e fotossensível. No
entanto, na fase adulta, esses animais possuem um conteúdo de melatonina maior na retina
do que na glândula pineal, sugerindo que a retina seja a principal produtora dessa
indolamina em anfíbios (Delgado & Vivien-Roels, 1989). Ainda são necessários novos
estudos para determinar a origem de melatonina plasmática em anfíbios anuros.
Um papel interessante que a melatonina pode desenvolver nesse grupo de animais
está relacionado à metamorfose. A transformação do girino em adulto é um processo que
pode ser afetado pela temperatura ambiental e pelo fotoperíodo e é induzido pelo aumento
gradual dos hormônios da tireóide. Apesar de sabermos que a melatonina tem uma ação
inibitória sobre a tireóide, os trabalhos que relacionam metamorfose e a indolamina são
contraditórios. Alguns indicam que o tratamento com melatonina acelera o processo, outros
que retarda, enquanto alguns citam que não há efeito algum (Wright, 2002). Estas
inconsistências podem refletir diferentes metodologias e concentrações usadas pelos
pesquisadores. A concentração de melatonina é crucial na determinação da resposta obtida.
Répteis e Aves
Existem evidências, tanto in vitro quanto in vivo, de que a glândula pineal de aves e
répteis seja o próprio oscilador circadiano. Nesses animais, a glândula se localiza na porção
frontal do encéfalo e é fotossensível. Quando a glândula é colocada em cultura
isoladamente, ela mantém a produção de melatonina com um ritmo circadiano por vários
ciclos (Tosini et al., 2001). Em cobras é possível que a luz influencie a glândula pineal
indiretamente através da retina e do sistema nervoso simpático (Firth et al., 2006), dando
subsídio à idéia de que nesses animais, a glândula pineal não seja um oscilador circadiano.
Contudo, apesar disso, existem evidências de que a pineal faça parte de um sistema
multioscilatório, assim como nos demais vertebrados não-mamíferos (Mendonça et al.,
1996).
Em lagartos, a retirada da glândula pineal leva à perda do ritmo circadiano de
atividade locomotora e quando se faz injeção de melatonina em momentos certos, a
atividade é ressincronizada. Esses dados indicam que, nesses organismos, o ritmo de
melatonina pode estar diretamente relacionado à sincronização de outros ritmos circadianos
(Underwood & Harless, 1985; Underwood, 1992).
O ritmo de melatonina é perdido em lagartos da espécie Tiliqua rugosa expostos tanto
ao escuro quanto ao claro constante e também a temperaturas constantes relativamente
baixas (23-24 o C). Esses dados indicam que o ritmo de melatonina para essa espécie não é
circadiano. Este resultado é tão surpreendente que o próprio autor justifica que talvez seu
ensaio não tenha permitido detectar a expressão do ritmo de melatonina em livre-curso
(Bruce et al., 2006).
Em aves, a produção rítmica de melatonina está ligada à sincronização fisiológica e
comportamental, como a reprodução, alimentação e migração. Muitos trabalhos sugerem
165

V Curso de Inverno
que a melatonina pode influenciar na reprodução das aves atuando através do eixo
hipotálamo-hipófise-gônada. Codornas apresentam dimorfismo sexual em relação à
distribuição de receptores de melatonina (alta densidade em machos e baixa em fêmeas),
no núcleo telencefálico, na via visual, e na área preóptica. Esses dados sugerem um papel
diferencial para esse hormônio na modulação da percepção visual, na produção
gonadotrófica e no comportamento sexual sazonal dos machos e fêmeas de codornas (Aste
et al., 2001; Bentley, 2001).
Mamíferos
Os mamíferos constituem a classe de animais mais estudada em todos os aspectos da
melatonina, ou seja, síntese, locais de produção e funções. É interessante notar que nesse
grupo a pineal sofre uma internalização no encéfalo e não é mais fotorreceptiva. O controle
da produção de melatonina é dependente de luz, mas de uma forma indireta. A informação
fótica chega através do trato retino-hipotalâmico, passando pelo núcleo supraquiasmático.
Este desenvolve o papel de relógio biológico central nesses animais.
Nesse capítulo não vamos nos ater em descrever a melatonina e suas funções nos
mamíferos, pois isso já foi feito em outros capítulos.
Conclusão
Como vimos ao longo do texto, tanto a estrutura molecular quanto a biossíntese da
melatonina são bastante conservadas entre os organismos. Apesar disso, não devemos
esperar que ela desempenhe as mesmas funções em grupos tão distantes
filogeneticamente, pelo menos em termos de sinalização.
A relação com o escuro é seu aspecto mais notável. Na grande maioria dos
organismos a síntese de melatonina ocorre preferencialmente à noite, com diferentes
padrões de regulação. Entretanto, muitos organismos apresentam uma inversão de fase da
produção dessa indolamina, como é o exemplo das Drosophilas. Em outros organismos não
foi detectado um ritmo de síntese: o fungo Saccharomyces cerevisiae apresenta altas
concentrações de melatonina independente da fase. Este organismo possui uma enzima
NAS capaz de trocar o N- e C- terminal da molécula de melatonina tornando-a insensível à
luz (Ganguly et al., 2001).
Este exemplo da Saccharomyces mostra que a melatonina não está necessariamente
relacionada com a transdução fotoperiódica. Muitas outras funções têm sido atribuídas a
esta molécula como: regulação da atividade de algumas enzimas, influência na organização
do citoesqueleto e ação antioxidante. A proteção contra os danos causados pelos radicais
livres tem sido relacionada como a função mais primitiva da melatonina, principalmente
porque esta função aparece em todos os grupos filogenéticos, desde bactéria até humanos.
Desta forma, a função de transdução do escuro aparece secundariamente. Os tecidos e
órgãos dos organismos que possuíam receptores de melatonina eram capazes de
166

Cronobiologia
interpretar a hora do dia através das concentrações de melatonina presente, dando-lhes
uma vantagem adaptacional (Cassone & Natesan, 1997).
Por fim, após tudo o que foi dito, podemos concluir que a melatonina não é apenas um
hormônio. A relação da melatonina com os organismos vai muito além dessa classificação:
ela não é só produzida por uma glândula, está presente em organismos unicelulares, atua
diretamente em alvos intracelulares (sem mediação de receptores) e pode ser considerada
uma vitamina antioxidante, pois também é adquirida através da dieta alimentar.
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Revisado por Gisele Akemi Oda e Regina Pekelmann Markus
168

Cronobiologia
Sincronização na Infecção pela Malária
Saulo Henrique Pires de Oliveira
Laboratório de Fisiologia Celular do Plasmodium
sauloho@ig.com.br
A malária é uma doença parasitária predominante em países tropicais e
representa um dos maiores problemas de saúde pública da atualidade. A cada ano, a
malária causa cerca de 1 a 3 milhões de mortes, na maior parte crianças e idosos, e existe
aproximadamente meio bilhão de casos clínicos registrados somente de malária falciparum
(Snow et al.,2005). O combate à doença é mediado por uso de inseticidas, redes de dormir
e através do uso de antimaláricos. Entretanto, devido a doença atingir majoritariamente
regiões pobres e devido ao aumento do número de parasitas resistentes aos poucos
fármacos disponíveis, estima-se que o número de mortes por malária apenas aumente
(OMS).
Os agentes causadores da malária são protozoários apicomplexos do gênero
Plasmodium. Em humanos, a malária é causada por quatro espécies: P. vivax, P. malariae,
P. ovale e P. falciparum, sendo que o último é responsável pela maioria dos casos fatais da
doença. Esses parasitas apresentam um padrão em seu ciclo de vida, comum a todas as
suas espécies. O ciclo se divide em uma fase assexuada, que ocorre no hospedeiro
vertebrado (hospedeiro intermediário) e uma fase sexuada que ocorre no mosquito do
gênero Anopheles sp (hospedeiro definitivo) (Mitchell e Bannister, 1988). Na figura 1
apresentamos um esquema deste ciclo de vida do Plasmodium.
Quando um indivíduo portador da doença é picado por uma fêmea do mosquito, ocorre
a ingestão dos gametócitos presentes na circulação sangüinea do hospedeiro intermediário
(Jacobs-Lorena, 2003). No estômago do inseto são liberados os gametas masculinos e
femininos do parasita. Acontece então a reprodução sexuada e os gametas se fundem
formando o oocineto. Esse zigoto se aloja na parede do estômago do inseto, sofrendo uma
divisão meiótica e formando o oocisto. Em seguida, através de muitas divisões mitóticas,
formam-se esporozoítos. Os esporozoítos migram para a glândula salivar do inseto, onde
podem ser transmitidos ao hospedeiro vertebrado durante a hematofagia.
A próxima etapa é assexuada e ocorrerá no hospedeiro vertebrado. No homem, essa
etapa assexuada se divide em duas fases. A primeira ocorre no fígado e é chamada de fase
exoeritrocítica (também chamada de fase hepática). A segunda ocorre no interior dos
eritrócitos e na corrente sanguínea, chamada de fase intraeritrocítica.
169

V Curso de Inverno
Figura 1: Ciclo de vida do Plasmodium
(http://www.ib.usp.br/~beraldo/Trabalho/mosquito.jpg)
Durante a hematofagia, depositam-se na derme esporozoítos do parasita. Ocorre
então uma movimentação aleatória desses protozoários até que algum vaso seja alcançado,
permitindo assim a entrada no fluxo sanguíneo. Uma vez na corrente sanguínea, serão
levados para o fígado (Amino et al., 2006) onde invadirão hepatócitos e se multiplicarão
170

Cronobiologia
assexuadamente e assintomaticamente durante um período que dura de 6 a 15 dias. Ao
final da fase hepática ocorre uma diferenciação dos parasitas em merozoítas que, após a
ruptura dos hepatócitos, irão invadir as células vermelhas dando início à fase eritrocítica.
Para ganhar acesso aos eritrócitos, os merozoítas hepáticos precisam alcançar os
vasos sanguíneos presentes no fígado (sinusóides) sem serem notados pelo sistema imune.
Mostrou-se que os parasitas Plasmodium berghei induzem a morte do hepatócito, seguido
pelo acoplamento de vesículas do protozoário (merosomos) ao lúmen dos sinusóides.
Simultaneamente, o invasor inibe a produção de fosfatidilserina, diminuindo as chances de
que sua presença seja notada pelo grande número de macrófagos presentes no lúmen dos
sinusóides, chamados de células de Kupffer (Sturm et al.,2006). No entanto, os
mecanismos utilizados pelos parasitas para penetrarem nos vasos sangüíneos do fígado e
invadirem os eritrócitos sem serem notados pelo sistema imune ainda não foram totalmente
esclarecidos.
Dado o início da fase eritrocítica, os merozoítas iniciam um ciclo com formas bem
definidas, conhecidas como anel, trofozoíto e esquizonte. A duração deste ciclo geralmente
é um múltiplo de 24 horas. Ao final desse ciclo ocorre a formação de novos merozoítas.
Acontece em seguida a ruptura das hemácias, liberando na corrente sangüínea os
novos merozoítas que irão invadir outras hemácias, reiniciando o ciclo. A multiplicação e o
ciclo nem sempre ocorrem, dado que alguns merozoítas, ao invadirem novas hemácias,
desenvolvem-se em gametócitos que serão, eventualmente, ingeridos pelo mosquito
transmissor (Bannister e Mitchell, 2003).
Em todas as espécies do parasita (como em P. falciparum, por exemplo) a fase
eritrocítica ocorre de maneira altamente sincronizada. É extremamente intrigante como
todos os parasitas espalhados por um organismo mais complexo conseguem atuar de
maneira concomitante, amadurecendo, reproduzindo-se, rompendo as hemácias e sendo
todos lançados na corrente sangüínea com um grau de sincronia tão alto. Um ciclo de vida
tão bem modulado que, nas cerca de 150 espécies de plasmódio, todas apresentam uma
periodicidade multi-circadiana.
O plasmódio faz uso de estratégias arrojadas para conquistar a sincronia dentro do
hospedeiro. Para melhor compreender estes mecanismos, torna-se necessário mencionar
que essa sincronia é extremamente importante para a sobrevivência do parasita aos
ataques do sistema imune do organismo infectado. Desse modo, faz sentido hipotetizar que
o protozoário utilizaria a própria maquinaria de manutenção e percepção do ciclo claroescuro
do hospedeiro como uma defesa, garantindo assim sua sobrevivência.
Vários experimentos envolvendo inversão do ciclo claro-escuro dos hospedeiros, bem
como envolvendo a remoção da glândula pineal indicaram que esta sincronia realmente
estaria ligada com o ritmo circadiano do organismo parasitado. Isso se deve ao fato de que
nos hospedeiros cujo ciclo claro-escuro foi invertido, a esquizogônia ocorria por volta do
meio-dia ao invés de ocorrer à meia-noite. Naqueles hospedeiros cujas pineais haviam sido
171

V Curso de Inverno
removidas surgia uma quebra na sincronia entre os estágios de anel, trofozoíta e esquizonte
(Garcia et al.,2001).
Nosso laboratório reportou, para a espécie P. chabaudi, que essa sincronia deve ser
mediada pelos segundos mensageiros cálcio e AMPc, pois estes têm a concentração
elevada no interior do parasita, na presença do hormônio melatonina (Hotta et al., 2000;
Beraldo et al., 2005). Além da melatonina, foi reportado ainda para P. chabaudi que outros
derivados do triptofano, i.e. N-acetil-serotonina, serotonina e triptamina, também são
capazes de mobilizar cálcio dos estoques intracelulares modulando assim o ciclo celular do
parasita (Beraldo e Garcia, 2005). Para melhor compreender essa via de sinalização, é
necessária uma compreensão básica dos mecanismos de homeostase e sinalização por
cálcio em eucariotos.
O cálcio é um segundo mensageiro intrinsicamente ligado a uma gama de processos
intracelulares de sinalização como, por exemplo, a modulação da atividade de proteases, a
indução de necrose ou apoptose, a regulação do desenvolvimento embrionário, entre outros
dos quais merece destaque a modulação do ciclo celular de eucariotos.
Apesar de ser extremamente importante para células eucarióticas, esse segundo
mensageiro em altas concentrações citosólicas é deveras tóxico, podendo causar danos
celulares severos ou até mesmo necrose ou apoptose. Dessa maneira, faz-se necessário
para qualquer célula eucariótica que os níveis de cálcio sejam devidamente controlados,
permitindo assim que a sinalização ocorra sem causar danos (Berridge et al. , 2003). Esse
processo de controle é chamado de homeostase.
O próprio termo homeostase já indica que existe um equilíbrio dinâmico de cálcio
dentro das células. Devido a sua toxicidade, o segundo mensageiro é estocado em
compartimentos internos, ou seja, organelas capazes de estocar cálcio. Dentre essas
organelas destacam-se o retículo endoplasmático, a mitocôndria e compartimentos ácidos.
A sinalização ocorre através de influxos de cálcio no citosol, sendo que um rápido aumento
da concentração citosólica do íon é capaz de ativar os diversos processos de sinalização
mediados por ele.
Após esse aumento, o cálcio é rapidamente reestocado nas organelas ou liberado
para o meio extracelular, recuperando a homeostase. Um mero aumento de cálcio por
tempo prolongado já é suficiente para causar danos severos à célula.
O conceito de equilíbrio dinâmico implica que o cálcio está em constante movimento
dentro da célula, ou seja, existe um fluxo contínuo do íon para dentro e fora de organelas e
para o meio extracelular, sempre preservando a homeostase. Para isso, a célula emprega
diversos mecanismos como canais de cálcio presentes na membrana plasmática (PMCA,
SOCs, VOCs, etc...), trocadores no compartimento ácido, ATPases presentes no retículo
(SERCA), entre outros, para perpetuar esse fluxo e controlar sua homeostase.
A célula também faz uso de diversas cascatas enzimáticas para modular a liberação
de cálcio das organelas. Essas cascatas enzimáticas funcionam como acionadores (triggers)
172

Cronobiologia
para um sinal que será amplificado, perpetuado, e regulado (feedback) pelo próprio
segundo mensageiro, em processos extremamente dinâmicos.
O plasmódio, por ser uma célula eucariótica, é altamente dependente da sinalização
mediada por cálcio. Especialmente durante sua fase eritrocítica, o parasita regula sua
concentração intracelular de Ca 2+ (Garcia et al., 1996, Varotti et al., 2003; Gazarini, 2004).
Um breve aumento na concentração citosólica de Ca 2+ , particularmente durante essa fase,
pode ativar eventos de sinalização celular (Gazarini et al., 2003). Apesar da descoberta e
identificação de diversos transportadores de cálcio no parasita, incluindo Ca 2+ -ATPases, sua
distribuição de Ca 2+ livre intracelular bem como os mecanismos de homeostase do cálcio
ainda não são completamente entendidos.
O citoplasma do parasita mantêm uma concentração baixa de Ca 2+ livre (por volta de
100 nM), semelhante às outras células eucarióticas. No entanto, a presença de baixas
concentrações de Ca 2+ no meio extracelular é fatal para o protozoário, ou seja, o plasmódio,
como qualquer outra célula eucariótica, necessita de altas concentrações de Ca 2+ no meio
externo. Mas em sua fase intraeritrócitica, o plasmódio invade e se desenvolve dentro do
eritrócito, uma célula eucariótica, que por sua vez apresenta concentrações muito baixas de
cálcio em seu citosol. Como seria possível a sobrevivência do plasmódio em um meio tão
inóspito?
O parasita desenvolveu uma estratégia muito interessante para garantir sua
sobrevivência no interior do eritrócito. No começo da fase eritrocítica, através de uma
invaginação da membrana, o parasita penetra na célula do hospedeiro e cria um novo
domínio dentro do eritrócito (chamado de vacúolo parasitóforo ou VP) através do uso da
própria membrana que foi invaginada durante a invasão. Durante a invaginação, essa
membrana é invertida, permitindo que o parasita seqüestre algumas das bombas de cálcio
que estavam presentes nesse fragmento de membrana. Essas bombas fazem com que o
cálcio seja bombeado do citosol do eritrócito para dentro do VP (tendo em vista que a
membrana foi invertida), mantendo a alta concentração de Ca 2+ extracelular necessária para
a sobrevivência do protozoário. (Gazarini et al., 2003). Assim, o parasita sobrevive em meio
extracelular rico em cálcio embora se desenvolva dentro do eritrócito.
As organelas intracelulares que servem como estoques de cálcio no Plasmodium são
o retículo endoplasmático, a mitocôndria (Gazarini e Garcia, 2004) e compartimentos ácidos
(Garcia et al, 1998). Existem evidências de que esses compartimentos ácidos são os
vacúolos digestivos, onde ocorre a digestão da hemoglobina e o acúmulo de uma gama de
drogas antimaláricas tais como a cloroquina.
Os mecanismos de ação da maioria dos antimaláricos ainda são desconhecidos. As
poucas evidências existentes indicam que o sítio de ação desses antimaláricos é o
ácidocalcissoma (o compartimento ácido), dado que foi observado que essas drogas se
acumulam nessa organela. Existe um modelo que hipoteticamente explica porque haveria
esse acúmulo. Esse modelo é chamado de “Efeito Base Fraca”.
173

V Curso de Inverno
O modelo “Efeito Base Fraca” consiste basicamente no fato de que a maioria dos
antimaláricos são bases fracas dipróticas. Ao entrarem no compartimento ácido, essas
bases fracas protonam devido a mudança drástica de pH. Uma vez protonadas, essas
bases fracas ficam presas (“trapped”) dentro da organela, dado que o próton recém
adquirido confere carga a essas moléculas, impedindo assim sua livre passagem pela
membrana fosfolipídica.
No entanto, não se sabe ao certo qual a ação desses antimaláricos dentro do
compartimento ácido. A hipótese mais aceita é a de que esses antimaláricos seriam
responsáveis pela inibição da formação de um polímero chamado hemozoína, proveniente
da digestão completa da hemoglobina. Esse polímero é formado por componentes tóxicos
para o parasita (derivados do grupo heme). Ao inibir a síntese do polímero, os antimaláricos
supostamente causariam o acúmulo desses intermediários tóxicos levando assim à morte do
parasita (Hänscheid et al, 2007).
Apesar dessa hipótese ser largamente aceita, existem diversos dados que corroboram
contra esse modelo, indicando que não há relação clara entre a inibição da hemozoína e a
eficiência de um antimalárico. Além disso, a toxicidade desses intermediários é altamente
questionável. Será que essas moléculas seriam realmente capazes de matar o parasita?
Recentemente, foi reportado (Gazarini et al, 2007) que a droga cloroquina é capaz de
quebrar a homeostasia de cálcio em P. chabaudi. Interessantemente, mostrou-se que, em
parasitas permeabilizados, a cloroquina é capaz de promover a liberação de cálcio de
estoques internos (Passos e Garcia, 1998). A quebra de homeostasia de cálcio poderia
causar danos aos parasitas bem como uma quebra na sua sincronia, apresentando-se como
uma forte hipótese para explicar os mecanismos envolvidos na ação dos antimaláricos.
Qual seria então a relação desse segundo mensageiro com o alto grau de sincronia
obtido pelo plasmódio dentro do hospedeiro? Inicialmente, a resposta fisiológica promovida
pela melatonina, hormônio-chave para a modulação do ciclo claro-escuro, bem como de
outros derivados de triptofano, é um aumento na concentração de cálcio citosólica.
A liberação de cálcio a partir da adição de melatonina ocasiona um aumento de AMPc
no parasita, ativando a enzima PKA. Esta via pode representar um papel relevante na
diferenciação dos parasitas. Além disso, este processo também seria capaz de induzir uma
nova liberação de cálcio do retículo endoplasmático, mantendo desta forma um looping de
sinalização (Beraldo et al, 2005).
Através do uso de diversos inibidores de cascatas enzimáticas, foi possível identificar
que o aumento inicial de cálcio estava relacionado à via de sinalização mediada por IP-3,
uma vez que, na presença de inibidores específicos dessa cascata enzimática, a melatonina
e os derivados de triptofano induziam um aumento citosólico significativamente menor. Isso
não foi observado para outras vias de sinalização como, por exemplo, na via mediada por
receptores de rianodina.
174

Cronobiologia
A via clássica modulada por IP-3 ativa a liberação de cálcio pelo retículo
endoplasmático (nosso laboratório reportou que o IP-3 também ativa a liberação de cálcio
do compartimento ácido para Plasmodium chabaudi). Geralmente, essa via se faz através
de um sinal na membrana captado por um receptor transmembrânico. Esse receptor
induziria a ativação da fosfolipase C (PLC) através da ação da proteína G. A PLC, por sua
vez, clivaria o fosfatidilinositol-bifosfato presente no citosol em inositol-trifosfato (IP3). O IP3
atua nos receptores-IP3 presentes na membrana do retículo, promovendo assim a liberação
de cálcio.
Entretanto, esse processo não ocorre conforme o modelo clássico no plasmódio. Os
mecanismos por trás da captação do sinal na membrana, bem como por trás da ativação da
PLC, ainda não estão bem elucidados. Isso ocorre devido a ausência da proteína G no
parasita. Dessa forma, torna-se necessário encontrar e caracterizar o receptor sensível à
melatonina (e a outros derivados de triptofano) presente na membrana do plasmódio, de
modo a elucidar a via de sinalização.
Através de técnicas de bioinformática, fazendo uso de análise e comparação de
seqüências, foram obtidos dados sobre proteínas putativas semelhantes a receptores
serpentina (serpentine receptor-like putative proteins) em P. falciparum. Essas proteínas
putativas podem representar os receptores de membrana envolvidos no processo de
sinalização por melatonina e derivados de triptofano (Madeira et al, 2008).
Abordagens de biologia molecular tais como microarray e tempo real forneceram
novas evidências que corroboram para a existência desses supostos receptores, tornando
essas proteínas putativas fortes candidatos a sítio de ação dos derivados de triptofano como
acionadores das eventuais cascatas enzimáticas obtidas como resposta fisiológica.
Além de intrigante, a maneira pela qual o plasmódio obtém sua sincronização é
extremamente complexa, envolvendo o emprego da maquinaria de percepção do ciclo claroescuro
do hospedeiro para uma modulação de seu ciclo de vida. Fazendo uso de cascatas
enzimáticas e da sinalização pelos segundos mensageiros cálcio e AMPc, o parasita obtém
um alto nível de sincronização, sendo mais um magnífico exemplo do poder da pressão
evolutiva. A caracterização completa dessas vias, bem como a compreensão do real papel
dos antimaláricos como desestabilizadores da homeostase de cálcio, são mais do que
necessários para prover novas ferramentas para combater a malária e contribuir para
reverter o número crescente de mortes pela doença.
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Revisado por Gisele Akemi Oda e Célia Regina da Silva Garcia
176

Neurofisiopatologia
Capítulo 5
Neurofisiopatologia
Autores:
Andreas Betz
Fernanda Beatriz Monteiro Paes Gouvêa
João Paulo de Pontes Matsumoto
Karen Lisneiva Farizatto
Leandro Cortoni Calia
Merari de Fátima Ramires Ferrari
Regiane Xavier de Moraes
Sérgio Marinho da Silva
195

V Curso de Inverno
Neurofisiopatologia
Merari de Fátima Ramires Ferrari
Laboratório de Neurotransmissão e Modulação Neural da Pressão Arterial
mfrf@yahoo.com
Fernanda Beatriz Monteiro Paes Gouvêa
Laboratório de Neurotransmissão e Modulação Neural da Pressão Arterial
O funcionamento do sistema nervoso central (SNC) é fascinante e misterioso tanto
para os mais leigos quanto para os estudiosos do assunto. O SNC é composto por células
neuronais e gliais que interagem entre si para seu correto funcionamento, estas células são
morfológica e fisiologicamente diferentes, mas complementares. Com os avanços na
tecnologia está sendo possível desvendar os mistérios do SNC através dos estudos destes
tipos celulares e de sua relação com comportamentos e funções vegetativas.
Os comportamentos e as funções vegetativas são regulados por grupamentos
celulares distribuídos por todo o encéfalo. Dependendo da região onde estes núcleos se
encontram, a função será predominantemente vegetativa, comportamental ou mista. A
posição anatômica ou mesmo a presença ou ausência de determinado grupamento celular
varia de acordo com a classe animal, por isso a neuroanatomia comparada nos dá dicas
sobre os possíveis papéis dos diversos núcleos encefálicos para a manutenção do equilíbrio
fisiológico do organismo (Lent, 2001).
Uma das principais funções do SNC é fazer com que o organismo responda
coerentemente aos estímulos do meio ambiente, seja através de ajustes vegetativos ou
através de comportamentos. Um ajuste bastante importante é o da pressão arterial, que ao
ser danificado pode desencadear a hipertensão.
O SNC pode sofrer outros transtornos como a neurodegeneração, por exemplo, e
enquanto não há cura para este tipo de doença, diversos profissionais desenvolvem
abordagens terapêuticas para a reabilitação dos indivíduos acometidos pela
neurodegeneração.
Drogas psicoativas como os opióides, o álcool, a nicotina, dentre diversas outras que
interagem sobre núcleos específicos do SNC geram sensações prazerosas, alucinações,
depressão, etc. Algumas destas drogas agem no circuito de reforço o que desencadeia
comportamento de busca freqüente pelo entorpecente podendo caracterizar o vício.
Este capítulo irá abordar brevemente a neurofisiologia e o estado patológico do
sistema nervoso central.
1. Introdução ao Sistema Nervoso
O Sistema Nervoso é dividido funcionalmente em Somático e Visceral. O Sistema
Nervoso Somático pode ser aferente ou eferente, enquanto o Visceral pode ser aferente,
196

Neurofisiopatologia
eferente simpático e eferente parassimpático. O Sistema Nervoso também é dividido em
Periférico e Central, como mostra a figura 1:
Figura 1: Divisão funcional do Sistema Nervoso
O sistema Nervoso Somático relaciona o organismo com o ambiente. A parte
aferente leva impulsos dos receptores periféricos aos centros nervosos. O componente
eferente leva a informação dos centros nervosos aos músculos estriados esqueléticos,
gerando movimentos. Por sua vez, o componente Visceral, através da parte aferente, leva
informações das vísceras para áreas específicas do Sistema Nervoso, e a eferente
transmite impulsos gerados em centros nervosos até as vísceras (Figura 2) (Bear et al,
2002; Machado, 2000).
Os nervos unem o Sistema Nervoso Central aos órgãos. Quando a união é feita com o
encéfalo, chamamos nervos cranianos; se a ligação é feita com a medula, chamamos
nervos espinais. Gânglios são células nervosas agrupadas, localizadas nas proximidades do
Sistema Nervoso Central, ou próximo/dentro das paredes das vísceras. Muitas fibras têm
origem em neurônios ganglionares. Os nervos espinais são originados em neurônios
medulares ou ganglionares. Podem ser sensitivos (gânglios das raízes dorsais) ou motores
(raízes ventrais). Já os nervos cranianos são originados em núcleos encefálicos ou em
gânglios próximos do crânio (Machado, 2000). O Sistema Nervoso Central possui
envoltórios chamados meninges que o nutrem, e protegem do meio externo além de garantir
meio ótimo para o funcionamento neural.
Na análise macroscópica do Sistema Nervoso pode-se reconhecer dois tipos de áreas:
a chamada substância branca, com maior concentração de fibras nervosas envoltas por
gordura e proteína (mielina) e a substância cinzenta que possui maior concentração de
fibras nervosas sem envoltório gorduroso.
No córtex cerebral e cerebelar a substância cinzenta é exterior à branca. Em outras
regiões é o oposto.
197

V Curso de Inverno
Figura 2: Representação do Sistema Nervoso Somático.
Figura 6: Segmento da medula espinal. Fontes: http://pt.wikipedia.org/wiki/
Nervos_raquidianos e http://thalamus.wustl.edu/course/spinal.html
2. Unidades estruturais e funcionais do Sistema Nervoso.
2.1. Neurônios
O neurônio produz e veicula sinais capazes de codificar tudo o que sentimos dentro e
fora do organismo e tudo o que pensamos. Operam em grandes conjuntos (circuitos) nos
quais cada neurônio faz uma coisa e todos realizam juntos uma função.
As informações aferentes saem por axônios e vão para outras células do circuito
neural. Por isso, o axônio tem modificações que se ligam aos dendritos de outros neurônios.
Os axônios de neurônios semelhantes por vezes se juntam em tratos ou feixes no Sistema
198

Neurofisiopatologia
Nervoso Central ou nervos no Sistema Nervoso Periférico.
Cada neurônio possui vários prolongamentos que recebem informações, mas apenas
um que as manda. Sua membrana plasmática é especializada em produzir e propagar
impulsos elétricos. Possui diferentes tipos de canais iônicos (macromoléculas embutidas na
membrana, capazes de filtrar seletivamente a passagem de íons para dentro e para fora da
célula) (Figura 7).
Figura 7:Representação de um neurônio. Fonte:www.geocities.com/malaghini/neuron2.gif
Durante um potencial de repouso, o interior da célula tem carga elétrica negativa em
relação ao meio extracelular e esta diferença é mantida pelo fluxo constante de íons (Figura
8). Quando ocorre inversão da polaridade da membrana, através da abertura de canais de
sódio, seguida pela abertura dos canais de potássio, que se propaga ao longo do axônio,
temos um potencial de ação – sinal elétrico utilizado como unidade de informação (Kandel et
al, 2003).
Os neurônios são formados pelo soma, axônios e dendritos. O soma é formado por
citoplasma e membrana citoplasmática. O citoplasma possui meio denso (citosol) e
proteínas que formam o citoesqueleto. O Citoesqueleto mantém a forma, permite a
mobilidade de neurônios jovens durante o desenvolvimento; emite e retrai prolongamentos
neuronais e transporta moléculas sinalizadoras, nutrientes, fatores tróficos e vesículas
membranosas. É formado por três estruturas principais: microtúbulos (tubulina e MAP),
neurofilamentos (diferentes proteínas enroladas em trança) e microfilamentos (actina)
responsáveis pelos movimentos celulares.
Como possuem intensa atividade protéica, o retículo endoplasmático rugoso é bem
pronunciado nos neurônios. O DNA nuclear de neurônios adultos fica disperso no núcleo e
não se agrupa. No núcleo ocorre a síntese do RNAm, que forma réplicas do DNA para a
199

V Curso de Inverno
síntese de proteínas. O RNAm sai do núcleo para o citoplasma e se junta aos ribossomos.
Alguns desses ribossomos se ligam à superfície externa do retículo endoplasmático rugoso
enquanto outros se associam ao RNAm. Essa união entre RNAm e ribossomo é chamada
polissomo, e é onde ocorre a síntese de proteínas.
Algumas proteínas sintetizadas voltam ao núcleo, algumas ficam no citosol e outras
são armazenadas no retículo endoplasmático rugoso para posterior transporte. Do retículo
endoplasmático rugoso saem pequenas vesículas que depois se fundem com o aparelho de
Golgi que emite, por sua vez, vesículas transportadas pelos microtúbulos dos axônios e dos
dendritos. Tanto o retículo endoplasmático rugoso quanto o aparelho de Golgi contêm
enzimas que regulam a síntese de neurotransmissão pelos próprios neurotransmissores e
também por componentes da membrana plasmática. Do Golgi também saem pequenas
organelas citoplasmáticas (os lisossomos) com enzimas capazes de decompor moléculas já
utilizadas pela célula em unidades menores para serem usadas na síntese de novas
moléculas.
No soma também estão a mitocôndria, que realiza a fixação do oxigênio e a síntese
de ATP, e o peroxissomo – organela que contém proteção contra o peróxido, subproduto
altamente oxidante que resulta da degradação molecular.
Os dendritos que saem do soma formam, por vezes, algo semelhante a uma árvore
em torno do soma; aumentam a superfície da célula, possibilitando maior contato entre
neurônios. Alguns tipos de neurônios ainda emitem espinhas dos ramos dendríticos. Essas
espinhas são pequenas projeções com esférula na extremidade, onde se formam contatos
sinápticos. Além de aumentarem a superfície celular, têm importância funcional, pois
constituem microcompartimentos privilegiados, nos quais se concentram íons e pequenas
moléculas que influenciam na transmissão de informações entre neurônios. O padrão de
espinhas de um neurônio se modifica dinamicamente com a aprendizagem e com certas
doenças mentais, o que nos permite supor que elas desempenham papel importante nas
funções neurais (Santibañez, 2000).
Nos dendritos estão presentes praticamente todas as substâncias do soma em
ramos mais finos desaparecem ou diminuem o retículo endoplasmático rugoso, aparelho de
Golgi e os microtúbulos do citoesqueleto.
O axônio sai do soma através do cone de implantação, região muito excitável na qual
aparece o impulso nervoso, conduzido pelo axônio. As diferentes partes da célula estão em
constante comunicação: existe um fluxo contínuo de moléculas e organelas através do
citoplasma, que pode ser do soma em direção às extremidades do axônio (anterógrado) ou
das extremidades para o soma (retrógrado).
Muitos axônios são revestidos por uma cobertura isolante feita de lipídios e
proteínas, chamada bainha de mielina. No Sistema Nervoso Central, a bainha de mielina é
produzida pelos oligodendrócitos e no Sistema Nervoso Periférico pelas células de
Schwann. Nos axônios de neurônios do Sistema Nervoso Central existem proteínas que
200

Neurofisiopatologia
bloqueiam o crescimento regenerativo após lesões; o que explica a regeneração de axônios
periféricos, mas não de axônios centrais (Figura 9).
Figura 9: Estrutura do nervo. Fonte: http://www.esec-lousa.rcts.pt/sist_nervoso.htm
Cada axônio pode se ramificar em sua extremidade distal, e cada ramificação pode
ter múltiplos botões sinápticos que se ligam ao soma, ao dendrito ou ao axônio de outros
neurônios, formando as sinapses.
2.2. Células gliais
As glias são células não neuronais com diferentes funções, que garantem a infraestrutura
necessária para o funcionamento dos neurônios. Suas funções incluem alimentar o
neurônio, lidar com sinais químicos que orientam o crescimento e a migração dos neurônios
durante o desenvolvimento, fazer a comunicação entre neurônios na vida adulta; absorver
substâncias dos meios vizinhos e transformá-las em substâncias úteis; isolar a membrana
dos axônios; têm função de defesa, reconhecimento de condições patológicas, além de
outras. Estão divididas em dois grandes grupos, macroglias e microglias. As macroglias são
formadas por astrócitos e oligodendrócitos, que têm mesma origem embrionária que os
neurônios (ectoderme). As microglias são formadas por microgliócitos ramificados e
amebóides, e têm origem embrionária mesodérmica. (Figura 11).
Os astrócitos têm prolongamentos ramificados, ocupam espaços interneuronais,
envolvem sinapses e nós de Ranvier, formam envoltório em capilares sangüíneos do
sistema nervoso e revestem internamente as cavidades intracerebrais e meninges.
Morfologicamente, os astrócitos são diferentes na substância branca e na cinzenta, mas até
então suas funções não foram diferenciadas de forma significativa. São marcados pela
presença de GFAP (proteína ácida fibrilar glial), uma proteína que forma o citoesqueleto,
expressa exclusivamente por astrócitos, identificada por anticorpos monoclonais
fluorescentes ou coloridos.
Seus prolongamentos envolvem as sinapses do Sistema Nervoso Central, e
possuem receptores de membrana para certos neurotransmissores, como GABA (ácido
gama-aminobutírico) e glutamato, transformando-os em glutamina, a qual é transportada
para os neurônios e permite a ressíntese das duas substâncias e controla o excesso de
201

V Curso de Inverno
neurotransmissores nas sinapses.
Figura 11: Células gliais. Fonte: http://www.uff.br/fisiovet/imagens/sistema_nervoso_6.JPG
Nos nós de Ranvier, onde ocorrem potenciais de ação, os pedículos dos astrócitos
participam do restabelecimento do gradiente eletroquímico normal, pois possuem grande
quantidade de canais de K + e proteínas transportadoras de íons (Kandel et al, 2003).
As paredes dos capilares cerebrais também são revestidas por ramificações
astrocísticas, que originam a barreira hematoencefálica, importante mecanismo protetor do
Sistema Nervoso Central (Barbosa et al, 2003).
Quando ocorrem lesões no tecido nervoso, os astrócitos se proliferam e se deslocam
para as proximidades da lesão, formando uma cicatriz glial, que seria equivalente ao
processo inflamatório de outros tecidos. Como produzem fatores tróficos e apresentam
antígenos, os astrócitos desempenham dois papéis importantes para o local lesado: os
fatores tróficos contribuem para a sobrevida dos neurônios atingidos enquanto que os
antígenos provocam ação defensiva dos linfócitos T (Douglas, 2000).
Os oligodendrócitos possuem menos prolongamentos que os astrócitos e são
divididos em satélites e fasciculares. Os primeiros ficam próximos dos corpos celulares e os
fasciculares entre os axônios do Sistema Nervoso Central, cujos prolongamentos se
enrolam nos axônios para formar a bainha de mielina, elemento isolante que permite maior
velocidade de condução do impulso nervoso. Esta mielina do Sistema Nervoso Central
contém moléculas protéicas que bloqueiam a regeneração axônica, diferentemente da
202

Neurofisiopatologia
mielina de axônios periféricos, produzida por células de Schwann, que permite recuperação
após lesões pela ausência deste componente bloqueador.
Os microgliócitos ramificados possuem corpo pequeno, alongado e com poucos
prolongamentos; em sua forma original, não se proliferam nem atuam em processos
patológicos. Já os microgliócitos amebóides, que também possuem corpo pequeno e
poucos prolongamentos, têm atividade fagocítica e se proliferam bastante na presença de
agressões e traumas do Sistema Nervoso Central. Se houver necessidade, monócitos
sangüíneos podem entrar no tecido nervoso e se transformar em microgliócitos amebóides,
assim como microgliócitos ramificados podem ser ativados, se proliferar e assumir forma
amebóide.
2.3. Transmissão de informações
A transmissão de informações entre neurônios acontece através de sinapses, que
podem ser elétricas ou químicas. As sinapses elétricas existem principalmente em neurônios
imaturos e gliócitos adultos, e sua estrutura é denominada junção comunicante, uma região
na qual duas células se aproximam e suas membranas ficam separadas por um espaço
muito pequeno (cerca de 3 nm). Nesta região, as membranas possuem canais iônicos
especiais, formados por subunidades protéicas idênticas e capazes de se acoplarem
quimicamente para formar poros que permitem a passagem de íons e pequenas moléculas,
de uma célula para outra. É uma transmissão muito rápida, pois não utiliza intermediários
químicos. As informações transmitidas por sinapses elétricas não são modificadas entre
uma célula e outra, e geralmente passam nos dois sentidos (entram e saem), embora
existam as junções retificadoras – que permitem a passagem da corrente elétrica em
apenas uma direção.
As sinapses químicas existem entre neurônios adjacentes de uma região
especializada, permitindo o contato por contigüidade. A estrutura é conhecida como fenda
sináptica e é bem maior que as junções comunicantes (cerca de 20nm). O espaço entre
uma membrana e outra é preenchido por matriz protéica adesiva que favorece a fixação e a
difusão de moléculas entre elas. A região sináptica da primeira célula é chamada elemento
pré-sináptico e é igualmente um terminal axônico. O elemento pós-sináptico, região
sináptica da segunda célula, é geralmente um dendrito (Figura 13).
O terminal pré-sináptico tem como característica mais marcante a presença de
vesículas que se aglomeram nas proximidades da membrana, e de grânulos secretores,
esferas maiores com material elétron-denso, além de zonas de ativação. O potencial de
ação chega ao axônio pré-sináptico e causa liberação de substâncias na fenda sináptica.
Esta substância, armazenada nas vesículas, é o neurotransmissor, que se difunde até a
membrana pós-sináptica e gera novamente um potencial de ação. Estas conversões de
informação permitem que exista modificação durante o trajeto. Quem realiza estas
modificações são os neuromoduladores, presentes em quase todas as sinapses.
203

V Curso de Inverno
Figura 13: Sinapse. Fonte: www.ucs.br/ccet/defq/naeq/material_didatico/
textos_interativos_37/sinapse.jpg
Portanto, os neurotransmissores são produzidos pelo neurônio, armazenados em
vesículas e liberados no espaço extracelular. Transmitem informações entre neurônios e
células próximas. Os neuromoduladores são produzidos pelo neurônio, atuam na sinapse,
modificando a ação de neurotransmissores.
As sinapses podem ser excitatórias ou inibitórias. As excitatórias despolarizam,
enquanto as inibitórias hiperpolarizam o terminal pós-sináptico. Os elementos pré e póssinápticos
das sinapses inibitórias têm membrana de mesma espessura, e as vesículas
liberadas são achatadas, enquanto as sinapses excitatórias possuem elementos com
diferentes espessuras de membrana (membrana pós-sináptica mais espessa) e liberam
vesículas esféricas (Bear et al, 2002; Kandel et al, 2003; Lent, 2001).
Devemos lembrar que cada célula pode fazer milhares de sinapses. Assim, o
resultado final de uma informação depende da interação dos potenciais de ação locais de
todas essas sinapses, conhecida como integração sináptica.
As informações são passadas entre os neurônios através de poros ou canais na
membrana, que permitem a passagem seletiva de íons, gerando sinais elétricos. Canais
iônicos são glicoproteínas, proteínas de membrana incrustadas na bicamada lipídica, com
capacidade de deixar passar íons de modo seletivo, de forma continuada ou em resposta a
estímulos elétricos, mecânicos ou químicos.
-canais abertos: deixam passar íons continuamente;
-canais controlados por comportas: só abrem em resposta a estímulos específicos.
Podem ser:
a) dependentes de voltagem: abertos por alteração da voltagem da membrana;
b) dependentes de ligantes: abertos por substâncias específicas, como
neurotransmissores, neuropeptídeos e hormônios;
204

Neurofisiopatologia
c) dependentes de energia mecânica que incida diretamente sobre a membrana.
Alguns canais iônicos têm três estados funcionais: repouso (está fechado mas pode
ser aberto), ativo (está aberto e permite fluxo iônico) e refratário (está fechado e não pode
ser ativado). Existem interações específicas entre os íons e radicais da parede dos canais,
que funcionam como filtro molecular, permitindo a passagem de uma espécie iônica em
cada tipo de canal. As diferenças de concentração iônica (elétrica e química) existentes
entre os meios intra e extracelular fornecem energia potencial para o movimento dos íons do
local de maior concentração para o de menor.
Os canais de passagem livre são muito mais simples que os controlados. As
proteínas possuem a propriedade de assumir conformações espaciais diferentes, chamada
alosteria. Dependendo da conformação, não permitem a passagem de íons pela membrana.
Porém, na presença de estímulos específicos, suas subunidades protéicas se modificam,
permitindo a passagem iônica. Nos canais dependentes de voltagem, alterações no
potencial elétrico da membrana podem causar mudança da estrutura. Em canais
dependentes de ligantes, ocorre reação química não permanente entre um ligante
(neurotransmissor, por exemplo) e a parte extracelular da proteína de membrana. Por fim,
nos canais mecânicos, um estiramento da membrana causa abertura das comportas
(Kandel et al, 2003).
Os neurotransmissores podem ser aminas, aminoácidos e purinas, sendo que alguns
aminoácidos podem atuar como neuromoduladores. Já os neuromoduladores podem ser
gases e peptídeos, sendo que alguns peptídeos podem atuar como neurotransmissores.
Cada neurotransmissor é formado por uma substância específica em um local
específico, e o conhecimento de sua síntese é de grande importância para os psiquiatras e
neurologistas, pois algumas doenças atingem diretamente este processo, como o
parkinsonismo e alguns tipos de depressão.
O potencial de ação, quando chega ao terminal sináptico, alcança zonas ativas,
regiões ricas em canais de Ca 2+ voltagem-dependentes. O potencial de ação provoca
abertura dos canais de Ca 2+ , e este passa em grande quantidade para o interior do terminal,
aumentando a concentração intracelular deste íon. A quantidade aumentada de Ca 2+ no
interior do terminal sináptico faz com que as vesículas sinápticas ancorem nas zonas ativas,
liberando seu conteúdo na fenda sináptica através de exocitose. O neurotransmissor age no
receptor específico, situado na membrana pós-sináptica e gera potencial de ação.
Existem dois tipos de receptores sinápticos: metabotrópicos e ionotrópicos (Figura
13.). Os ionotrópicos são os canais iônicos dependentes de ligantes, e são mais rápidos. Os
receptores metabotrópicos estão ligados à proteína G ou à ação enzimática intracelular do
próprio receptor. Como não são canais iônicos, a transmissão é mais lenta e indireta, feita
por reações químicas intracelulares, iniciadas pela proteína G, que ativa proteínas efetoras
que geralmente são canais iônicos. Estes canais, ao se abrirem, permitem que ocorra um
205

V Curso de Inverno
potencial de ação. Além disso, a proteína G pode atuar em proteínas de membrana que
produzem mensageiros químicos (segundos mensageiros). Esses mensageiros podem agir
em locais distantes da membrana ou no interior da célula pós-sináptica, desencadeando
cascatas enzimáticas, aumentando o tempo que um potencial de ação leva para ser gerado,
ou apenas modificando o metabolismo e função neuronais, sem desencadear um potencial
de ação. Quando ocorrem modificações, mas não necessariamente é desencadeado um
potencial de ação, dizemos que houve neuromodulação. Chamamos co-transmissão quando
dois neurotransmissores são utilizados na mesma sinapse e co-ativação quando dois
receptores diferentes são ativados.
O fim da transmissão sináptica ocorre fundamentalmente através de dois
mecanismos: a recaptação e a degradação enzimática do neurotransmissor. A recaptação é
feita pelas proteínas transportadoras específicas da membrana do terminal pré-sináptico ou
por astrócitos. É um mecanismo influenciado por drogas de vários tipos como cocaína,
alguns antidepressivos e anticonvulsivantes. A degradação enzimática ocorre em sinapses
colinérgicas e peptidérgicas. O neurotransmissor é quebrado e suas partes se difundem no
meio extracelular ou são recaptadas para o interior do terminal e utilizadas na síntese de
novas moléculas.
3. Neurotransmissores
3.1. Glutamato
O glutamato, um aminoácido, é sintetizado pelo cérebro a partir de glicose e outros
nutrientes e é o principal neurotransmissor excitatório do cérebro. Quantidades muito
pequenas de glutamato podem desencadear potenciais de ação. Existem três tipos de
receptores de glutamato: AMPA, NMDA e Kainato (Figura 13).
3.2. GABA
É sintetizado a partir da descarboxilação do glutamato, catalizada pela glutamato
descarboxilase, presente em muitas terminações do cérebro, assim como as células B, do
pâncreas. Os neurônios que secretam GABA são chamados de GABAérgicos. É o principal
neurotransmissor inibitório do sistema nervoso central.
3.3. Acetilcolina
É o neurotransmissor utilizado pelos neurônios que inervam os músculos, resultando
em contração. Junto com a noradrenalina, a acetilcolina é o principal neurotransmissor do
sistema nervoso simpático. É provável, apesar de não estar ainda muito claro, que sua
função no cérebro tenha ligação com a aprendizagem e a vigília.
Sua síntese depende da enzima colina acetiltransferase, que é sintetizada no soma e
transportada até o terminal axonal. Para certas doenças, caracterizadas por deficiência na
transmissão sináptica de acetilcolina, suplementos de colina são administrados na dieta,
206

Neurofisiopatologia
objetivando aumentar os níveis encefálicos do neurotransmissor.
3.4. Catecolaminas
São formadas a partir do aminoácido tirosina e possuem estrutura química
denominada catecol. Neurônios catecolaminérgicos são encontrados em regiões do sistema
nervoso envolvidas na regulação do movimento, humor, atenção e funções viscerais. São
neurônios que contêm a enzima tirosina hidroxilase, que cataliza o primeiro passo da
síntese das catecolaminas: converte a tirosina em dopa, que será convertida em dopamina
pela enzima dopa descarboxilase. A dopa descarboxilase existe em grande quantidade nos
neurônios catecolaminérgicos, e a quantidade de dopamina sintetizada depende da
quantidade de dopa disponível (Figura 18).
Uma vez dentro dos terminais axonais, as catecolaminas podem ser novamente
transportadas para as vesículas e serem reutilizadas ou ser degradadas pela enzima
monoaminoxidase (MAO) da membrana externa da mitocôndria.
Figura 18: Síntese de catecolaminas. Fonte: www.sistemanervoso.com
3.4.1. Dopamina
Os corpos celulares dos neurônios que utilizam a dopamina estão principalmente na
substância negra e na área tegmental ventral.
3.4.2. Noradrenalina
Presente no sistema nervoso simpático e no cérebro. A maioria dos neurônios
noradrenérgicos tem seu corpo celular no locus coeruleus (tronco cerebral).
Neurônios que utilizam noradrenalina como neurotransmissor contêm, além
de tirosina hidroxilase e dopa descarboxilase, a enzima dopamina β-hidroxilase, conversora
de dopamina em noradrenalina.
207

V Curso de Inverno
3.4.3. Adrenalina
Neurônios adrenérgicos contêm a enzima feniletanolamina N-metil-transferase, que
converte noradrenalina em adrenalina. Além de servir como neurotransmissor no encéfalo, a
adrenalina é liberada pela glândula adrenal para a circulação sangüínea, e atua em
receptores no corpo todo, produzindo resposta visceral coordenada.
3.5. Serotonina
Em humanos, a serotonina tem sido associada à depressão, ansiedade,
comportamento agressivo, obesidade e outros distúrbios de alimentação, enxaqueca,
disfunção sexual e dor crônica. É derivada do aminoácido triptofano. Neurônios
serotonérgicos existem em menor quantidade.
3.6. Fatores de crescimento
São peptídeos que transmitem sinais para os neurônios via receptor de tirosina
quinase. Podem ser produzidos por células gliais ou pelos próprios neurônios. Participam do
desenvolvimento, divisão e crescimento neuronal e ajudam a prevenir a morte da célula. As
neurotrofinas são fatores de crescimento que apóiam a diferenciação e sobrevivência de
conjuntos específicos de neurônios. Entre elas estão: o fator de crescimento nervoso (NGF),
o fator neurotrófico derivado do cérebro (BDNF) e as neurotrofinas 3 e 4/5. Todas podem ser
liberadas de qualquer lugar no cérebro.
4. Gênese e diferenciação
Toda célula ectodérmica tem potencial para se transformar em neurônio, a chamada
neuralização. O ectoderma tem proteínas que bloqueiam o desenvolvimento neural
(proteínas morfogenéticas – BMPs – subgrupo dos fatores tróficos transformantes – TGFs).
Quando um neurônio pára de se dividir, torna - se um “neurônio juvenil” e migra se
arrastando através de prolongamentos lançados pela membrana (Figura 20).
A notocorda produz proteína que se difunde no sentido dorsal pelo tubo neural,
reconhecida pelas células juvenis que emitem sinais intracelulares capazes de modificar a
expressão gênica. O sinal varia com a concentração desta proteína – perto da “fonte” (mais
ventral) as células do tubo neural se transformam em motoneurônios. Mais distante, as
células se transformam em interneurônios e reconhecem diferentes BPMs, e podem se
transformar em diferentes tipos de neurônios, de acordo com o tipo de BMP.
Fatores indutores e morfogenéticos mesodérmicos atuam no SNC embrionário
ativando genes homeóticos distintos em diferentes lugares, que sintetizarão proteínas
responsáveis pela diferenciação celular, permitindo o aparecimento de diferentes núcleos.
Durante a migração, o neurônio juvenil pode emitir um axônio que cresce numa certa
direção (célula alvo) e estabelece contatos especializados. O axônio surge como um
prolongamento do corpo celular, forma um cone de crescimento na extremidade, com actina
208

Neurofisiopatologia
(proteína contrátil), e lança projeções capazes de reconhecer pistas químicas e também de
se locomover. Uma função das pistas é polimerizar o citoesqueleto do cone, alongando o
axônio ou formando ramos colaterais (Bear et al, 2002).
Figura 20: Diferenciação celular. Fonte: www.educacaopublica.rj.gov.br
Uma mesma molécula pode atuar de diferentes formas em axônios, dependendo do
receptor da membrana do cone. Várias substâncias atuam na diferenciação neural:
lamininas, fibronectina e proteoglicanos são inibidores de crescimento axônico; moléculas
de adesão celular direcionam o crescimento do cone, como por exemplo as caderinas
(glicoproteínas que dependem da concentração intracelular de cálcio, reconhecidas por
outras caderinas do cone de crescimento) e imunoglobulinas, reconhecidas hemofílica ou
heterofilicamente pelos cones de crescimento.
Vários neurônios são formados no embrião, mas o número de células que
permanecem vivas após o nascimento é determinado pela quantidade de tecido alvo.
Existem fatores neurotróficos que garantem a sobrevivência dos neurônios juvenis. Fatores
tróficos são produzidos pelo alvo e captados pelas células com as quais fazem contato
sináptico, e atuam sobre o DNA bloqueando o processo de apoptose (várias células têm a
mesma direção alvo; as que conseguem estabilizar sinapses recebem quantidade suficiente
de fator neurotrófico e sobrevivem. As outras morrem) (Bear et al, 2002; Lent, 2001; Kandel
et al, 2003).
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Artmed, 2002.
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Santibañez G. Fisiologia dos estados emóticos in Douglas CR. Patofisiologia geral. São Paulo: Robe,
2000.
Revisado por Merari de Fárima Ramires Ferrari, Leandro Cortini Calia, Margareth Rose Priel
210

Neurofisiopatologia
Biologia molecular e celular aplicadas à neurofisiologia
Merari de Fátima Ramires Ferrari
Laboratório de Neurotransmissão e Modulação Neural da Pressão Arterial
mfrf@yahoo.com
No início do século XVII o pesquisador inglês Robert Hook descreveu o que chamou
de “célula”. Muito embora o que Hook tivesse observado não fosse uma célula como a
conhecemos hoje, seu achado deu base para a evolução da pesquisa celular. Schleiden e
Schwann, em 1839, propuseram a teoria celular que tinha como princípio o fato de a célula
ser a unidade básica de constituição dos organismos. A descoberta dos experimentos
genéticos de Mendel, em 1900, e a elucidação da molécula de DNA por Watson e Crick
(1953) tornaram possível desvendar do código genético e evidenciar sua importância nas
respostas e reações do organismo em relação ao meio.
A partir destas descobertas e anseios pela busca de respostas mais específicas
quanto ao funcionamento da célula, que de modo geral geram a resposta final do
organismo, houve o desenvolvimento da série de experimentos que culminou com o que
conhecemos hoje como biologia celular e molecular.
O Sistema Nervoso Central (SNC) apresenta grande fascínio devido aos mistérios
que a ele, ainda hoje, são atribuídos. É realidade que o SNC ainda não é completamente
entendido, mas a biologia celular e a molecular podem nos auxiliar a entender a
neurofisiologia. O SNC é composto por células gliais e neuronais que interagem entre si e
comandam o funcionamento encefálico, e possuem características distintas, o que será
discutido rapidamente.
Os neurônios antigamente eram reconhecidos como principais células do Sistema
Nervoso. No entanto, esta visão vem se modificando à medida que se conhecem melhor as
demais células que compõem o SNC. Atualmente tem-se que todas as células do SNC são
igualmente importantes para seu correto funcionamento. Os neurônios são, de longe, as
células mais estudadas, pois o interesse por seu estudo vem anteriormente ao das células
gliais (desde Santiago Ramón y Cajal em 1888). Os neurônios são células eletricamente
excitáveis responsáveis pela transmissão da informação em cadeia, integração do estímulo
e elaboração da resposta. As células gliais compreendem a maioria das células presentes
no sistema nervoso e dividem-se em 5 categorias: astrócitos, oligodendrócitos, microglia,
células de Schwann e células ependimárias.
Complementando o explicitado na seção inicial deste capítulo, os astrócitos, antes
designados como meras células de sustentação do sistema nervoso central, hoje são
reconhecidos como sendo os grandes colaboradores dos neurônios no que diz respeito à
neurotransmissão. Estas células participam da síntese e metabolismo de diversos
neurotransmissores como é o caso, por exemplo, do glutamato. Além disso, os astrócitos
211

V Curso de Inverno
são os grandes responsáveis pela barreira hemato-encefálica, pois envolvem vasos
sanguíneos com seus prolongamentos e permitem a entrada seletiva de moléculas do
sangue para o Sistema Nervoso Central.
Os oligodendrócitos e as células de Schwann são responsáveis pela formação da
bainha de mielina, que envolve os axônios neuronais do encéfalo e coluna espinal, e dos
nervos periféricos, respectivamente, a fim de aumentar a velocidade da transmissão elétrica
dos neurônios.
A microglia possui papel importante na manutenção da estabilidade imunológica do
Sistema Nervoso Central. Estas células migram do sangue para o SNC durante os primeiros
estágios do desenvolvimento encefálico e estão envolvidas em uma série de doenças
neurodegenerativas como, por exemplo, a Esclerose Lateral Amiotrófica.
As células ependimárias localizam-se principalmente na borda dos ventrículos
encefálicos e do canal central, na medula espinal. São células ciliadas que parecem ter
função de células-tronco podendo originar outras células gliais e neurônios, especificamente
em casos de danos celulares.
A Figura 1.1 exemplifica os diversos tipos celulares encontrados no SNC, assim como
a relação entre elas.
Figura 1.1: Demonstração da morfologia, localização e interação entre os neurônios e os
diferentes tipos de células gliais no sistema nervoso central (retirado de http://
academic.kellogg.cc.mi.us/herbrandsonc/bio20 1_McKinley/Nervous%20System.htm).
212

Neurofisiopatologia
Figura 1.2: Esquema da síntese e degradação do glutamato ilustrando a
compartimentalização do sistema. Glu: glutamato; Gln: glutamina; NH3: grupo amina.
Modificado de Daikhin e Yudkoff (2000).
FIGURA 1.3: Esquema do sistema renina-angiotensina no sistema nervoso central. A
explicação detalhada encontra-se no texto. As interrogações indicam incerteza sobre a
etapa. Abreviaturas: AOGEN: angiotensinogênio; ANG: angiotensina; AT1R: receptor tipo 1
de angiotensina II; ECA: enzima conversora de angiotensina, Mas: receptor de angiotensina
1-7. Baseado em Lavoie e Sigmund (2003), McKinley e colaboradores (2003), Santos e
colaboradores (2003) e Warner e colaboradores (2004).
213

V Curso de Inverno
Com o advento da biologia molecular, tornou-se mais fácil o entendimento da
contribuição dos diferentes tipos celulares nas situações de normalidade e patologia. É
através deste conjunto de ferramentas da biologia molecular que os passos de determinada
cadeia de eventos podem ser desvendados, para então interferir especificamente no ponto
de interesse e, com isso, alterar a resposta final. Entre as técnicas mais conhecidas e
avançadas em biologia molecular, encontram-se a hibridização in situ, o western blotting, o
PCR (reação em cadeia de polimerase), a terapia gênica, microarrays, e RNA de
interferência aplicados à neurofisiologia.
Referências Bibliográficas
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and glia. J Nutr, 130:1026S-31S.
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and physiological roles. Int J Biochem Cell Biol, 35: 901-18.
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Walther S, Pinheiro SV, Lopes MT, Bader M, Mendes EP, Lemos VS,
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and Ventricular Neuroaxis. J. Neurosci., 16(23):7599–7609.
Revisado por Merari de Fárima Ramires Ferrari, Leandro Cortini Calia, Margareth Rose Priel
214

Neurofisiopatologia
Neuroanatomia básica comparada
Karen Lisneiva Farizatto
karenfarizatto@yahoo.com.br
Sérgio Marinho da Silva
sr.gari@gmail.com
Laboratório de Neurotransmissão e Modulação Neural da Pressão Arterial
Desenvolvimento do Sistema Nervoso
O tubo neural consiste em um longo tubo com um canal central, composto
basicamente por neurônios e células gliais. Durante o desenvolvimento embrionário, este
canal (canal do epêndima) é cercado por três tipos de tecidos, denominados camadas
ependimária (canal do epêndima), do manto e marginal (que envolve externamente o tubo
neural).
No final do estágio embrionário, no momento em que surge o tecido que originará o
sistema nervoso, a região ventral do canal espinal começa a se diferenciar, sendo possível
notar o espessamento de três regiões: o prosencéfalo, o mesencéfalo e o rombencéfalo
(Figura 2.2).
A primeira região espessada da coluna espinal, o prosencéfalo, dará origem ao
telencéfalo – o cérebro propriamente dito – e ao diencéfalo – região que engloba o tálamo,
hipotálamo, glândula pineal, e outras estruturas.
A segunda região espessada, o mesencéfalo – encéfalo médio –, continuará
indiferenciada e igualmente denominada.
A terceira região espessada, rombencéfalo, se diferenciará em metencéfalo - parte
que se transformará em cerebelo - e mielencéfalo, que se tornará o bulbo encefálico (Bear
et al, 2002).
Como o encéfalo está organizado?
Podemos classificar as estruturas que revestem o encéfalo de fora para dentro da
seguinte forma; crânio (proteção mecânica), meninges: dura-máter (camada mais externa),
aracnóide (camada média), e a pia-máter (mais interna). Entre a aracnóide e a pia-máter há
o líquido cerebroespinal, que nutre o encéfalo, além de fornecer proteção mecânica.
O encéfalo corresponde ao telencéfalo (cérebro), diencéfalo, cerebelo, e tronco
encefálico, que se divide em: bulbo (situado caudalmente), mesencéfalo (situado
cranialmente) e ponte (situada entre ambos) (Figura 2.3).
O telencéfalo ou cérebro é dividido em dois hemisférios, bastante desenvolvidos nos
mamíferos, nos quais situam-se as sedes da memória e dos nervos (sensitivos e motores).
O líquido cerebroespinal circula no Sistema Nervoso Central através de canais e
reservatórios (os ventrículos). Ao todo, são dois ventrículos laterais, o terceiro e o quarto
ventrículos, localizados no encéfalo e tronco encefálico.
215

V Curso de Inverno
A camada externa do cérebro é conhecida como córtex, formada pela substância
cinzenta. O nome córtex, que significa casca em latim, lhe foi dado por sua aparência
rugosa e também pelo fato de recobrir a maior parte do restante do cérebro.
Figura 2.2: Estruturas do encéfalo durante a embriogênese. 1- Prosencéfalo, 2-
mesencéfalo, 3- robencéfalo, 4 – futura medula espinal, 5- Diencéfalo, 6- Telencéfalo, 7-
Mielencéfalo (futuro bulbo), 8- Medula Espinal, 9- Hemisfério cerebral, 10- Lóbulo Olfatório,
11- Nervo Óptico, 12- Cerebelo, 13- Metencéfalo. Fonte:www.afh.bio.br.
O córtex de cada hemisfério é dividido em quatro lobos, denominados a partir dos
ossos cranianos localizados acima deles. O lobo temporal está localizado nas partes
laterais do crânio, é relacionado primariamente com o sentido de audição, possibilitando o
reconhecimento de tons específicos e intensidade do som. O lobo frontal, que se localiza
na frente do encéfalo, abaixo do osso frontal do crânio, é responsável pela elaboração do
pensamento, planejamento, programação de necessidades individuais e emoção e controle
motor. O lobo parietal, localizado dorsalmente, atrás do lobo frontal, é responsável pela
sensação de dor, tato, gustação, temperatura, pressão. Também está relacionado com a
lógica matemática. O lobo occipital, localizado na região da nuca, é responsável pelo
processamento da informação visual (Figura 2.4).
Em meio a substância branca, sob o telencéfalo, há grupos de corpos celulares
neuronais que formam os núcleos da base, relacionados com o controle do movimento.
216

Neurofisiopatologia
Figura 2.3: Divisões do encéfalo humano em corte sagital. Fonte:www.afh.bio.br.
Figura 2.4: Divisão anatômica do encéfalo. Fonte: www.afh.bio.br
O córtex aumenta de tamanho ao longo da filogenia, alcançando seu tamanho máximo
nos mamíferos. Nos mamíferos, este é o principal centro de integração de aferências ao
sistema nervoso. Nos demais vertebrados, os núcleos da base são os principais centros
integradores. Além disso, nos demais vertebrados o controle da visão não se dá
principalmente pelo córtex, como nos mamíferos. Este ocorre no mesencéfalo, na região do
teto.
O diencéfalo localiza-se sob o telencéfalo. Nele encontramos importantes estruturas,
como o hipotálamo - constituído por substância cinzenta - o principal centro integrador das
atividades dos órgãos viscerais, sendo um dos principais responsáveis pela homeostase
217

V Curso de Inverno
corporal. Ele faz ligação entre o sistema nervoso e o sistema endócrino, atuando na
ativação de diversas glândulas. É o hipotálamo que controla a temperatura corporal, regula
o apetite, o balanço de água no corpo e o sono, além de estar envolvido na emoção e no
comportamento sexual. Tem amplas conexões com as demais áreas do prosencéfalo e com
o mesencéfalo. Aceita-se que o hipotálamo desempenhe, ainda, papel nas emoções:
especificamente as partes laterais parecem envolvidas com o prazer e a raiva, enquanto a
porção mediana parece mais ligada à aversão, ao desprazer e à tendência ao riso
(gargalhada) incontrolável. De modo geral, contudo, a participação do hipotálamo é menor
na gênese (“criação”) do que na expressão (manifestações sintomáticas) dos estados
emocionais.
Todas as mensagens sensoriais, com exceção das provenientes dos receptores do
olfato, passam pelo tálamo antes de atingir o córtex cerebral. Esta é uma região de
substância cinzenta localizada entre o tronco encefálico e o cérebro. O tálamo atua como
estação retransmissora de impulsos nervosos para o córtex cerebral. Ele é responsável pela
condução dos impulsos às regiões apropriadas do cérebro onde devem ser processados. O
tálamo também está relacionado com alterações no comportamento emocional que
decorrem, não só da própria atividade, mas também de conexões com outras estruturas do
sistema límbico (que regula as emoções).
Situado atrás do cérebro está o cerebelo (Figura 2.5), que é primariamente um centro
para o controle dos movimentos iniciados pelo córtex motor (possui extensivas conexões
com o cérebro e a medula espinal). Como o cérebro, também está dividido em dois
hemisférios. Porém, ao contrário dos hemisférios cerebrais – que controlam o lado inverso
do corpo (contralateral) – os hemisférios cerebelares estão relacionados aos movimentos do
mesmo lado do corpo (ipsilateral).
O cerebelo recebe informações do córtex motor e dos núcleos da base sobre todos os
estímulos enviados aos músculos. A partir das informações do córtex motor sobre os
movimentos musculares pretendidos e de informações proprioceptivas - que recebe
diretamente do corpo (articulações, músculos, áreas de pressão do corpo, aparelho
vestibular e olhos) – o cerebelo avalia o movimento realmente executado. Após a
comparação entre desempenho e aquilo que se teve em vista realizar, estímulos corretivos
são enviados de volta ao córtex para que o desempenho real seja igual ao pretendido.
Dessa forma, o cerebelo relaciona-se com os ajustes dos movimentos, equilíbrio, postura e
tônus muscular a cada instante.
O cerebelo tem seu tamanho e forma relacionados não só com a classe, mas também
com o hábito de vida do animal. Este é relativamente mais desenvolvido nas espécies com
maior movimentação espacial, como peixes. O cerebelo em aves e mamíferos encontra seu
tamanho máximo e o maior número de sulcos e giros (Guyton et al, 1996).
O tronco encefálico (Figura 2.6) interpõe-se entre a medula e o diencéfalo, situando-se
ventralmente ao cerebelo. Possui três funções gerais; (1) receber informações sensitivas de
218

Neurofisiopatologia
estruturas cranianas e controla os músculos da cabeça; (2) contém circuitos nervosos que
transmitem informações da medula espinal até outras regiões encefálicas e, em direção
contrária, do encéfalo para a medula espinhal; (3) regular a atenção, função esta que é
mediada pela formação reticular. Além destas 3 funções gerais, as várias divisões do tronco
encefálico desempenham funções motoras e sensitivas específicas.
Na constituição do tronco encefálico entram corpos de neurônios que se agrupam em
núcleos e fibras nervosas. Muitos dos núcleos do tronco encefálico recebem ou emitem
fibras nervosas que participam da constituição dos nervos cranianos, que emergem
diretamente do encéfalo.
Figura 2.5: Estruturas do cerebelo. Fonte: www.afh.bio.br
Medula espinal
A medula espinal é uma estrutura de formato cilíndrico, ocupando a maior parte do
canal vertebral. Em corte transversal, observa-se uma região interna mais escura, em
formato de H. Esta é a região denominada substância cinzenta. A região em sua volta, mais
clara, é denominada substância branca. A substância cinzenta é originária do canal do
manto e de células da camada ependimária, enquanto as células da substância branca são
originárias da camada marginal.
A substância cinzenta é formada por neurônios amielínicos encontrando-se nela
principalmente corpos celulares de neurônios, seus dendritos e células gliais. Já a
substância branca é formada por células mielinizadas e é onde encontramos os axônios em
conjunto formando tratos.
219

V Curso de Inverno
Figura 2.6: Estruturas do tronco encefálico. Fonte: www.afh.bio.br
Na região dorsal da substância cinzenta, nos chamados cornos dorsais, encontramos
neurônios principalmente sensoriais – aferentes, encaminham o estímulo ao encéfalo -
enquanto nos cornos ventrais encontramos neurônios principalmente motores – eferentes,
encaminham o estímulo ao órgão efetor.
Na região dorsal da substância branca, os tratos que existem correm em direção ao
encéfalo, enquanto na região ventral os tratos correm em direção ao corpo. Já a região
lateral possui tratos em direção aos dois sentidos.
Na medula espinal, os corpos celulares das células nervosas agrupam-se nas colunas
cinzentas dorsais e ventrais, que são contínuas por toda sua extensão. No encéfalo, ao
contrário, os corpos celulares funcionalmente relacionados aglomeram-se na superfície do
cérebro e cerebelo onde formam o córtex desses órgãos ou juntam-se em massas
descontínuas no interior do encéfalo. Um conjunto desse tipo é denominado núcleo, mas
também pode receber o nome de centro ou corpo (Carlson, 2000)..
Sistema nervoso autônomo
O Sistema Nervoso Central está conectado ao resto do corpo por meio de fibras
nervosas. Estas fibras se conectam aos receptores sensoriais, a órgãos internos e
músculos. Todas essas fibras nervosas que irradiam do encéfalo e da medula espinal são
denominadas Sistema Nervoso Periférico.
Dentro do Sistema Nervoso (Figura 2.7), temos o Sistema Nervoso Autônomo. Este
é a parte relacionada ao controle da vida vegetativa, ou seja, controla funções como a
respiração, circulação do sangue, controle de temperatura e digestão. No entanto, ele não
se restringe a isto. Ele é o principal responsável pelo controle automático do corpo frente às
220

Neurofisiopatologia
diversidades do ambiente. Dessa maneira, pode-se perceber que o organismo possui um
mecanismo que permite ajustes corporais mantendo assim o equilíbrio do corpo, também
chamado homeostase. Apesar de se chamar Sistema Nervoso Autônomo ele não é
independente do restante do Sistema Nervoso.
Sabe-se que o Sistema Nervoso Autônomo é constituído por um conjunto de neurônios
que se encontram na medula e no tronco encefálico. Estes, através de gânglios periféricos,
coordenam a atividade da musculatura lisa, da musculatura cardíaca e de inúmeras
glândulas exócrinas. O Sistema Nervoso Autônomo divide-se em Simpático e
Parassimpático. Os neurônios pré-ganglionares do sistema Simpático emergem dos
segmentos toracolombares (da região do tórax e logo abaixo), ao passo que os do sistema
parassimpático emergem dos segmentos encefálicos e sacrais (da região da cabeça e logo
acima dos glúteos) (Kandel et al, 2000).
Características do sistema nervoso por classes:
O encéfalo dos peixes varia muito, devido ao grande número de gêneros de peixes
existentes.
O encéfalo dos anfíbios é notavelmente não especializado. O corpo estriado é
pequeno e os lobos ópticos apresentam dimensões pequenas a moderadas. O cerebelo
ainda é rudimentar.
O encéfalo dos répteis é estreito, alongado e quase reto. Os bulbos olfativos tendem a
ser menores que os dos peixes. Os tratos olfativos são longos e o cerebelo é grande em
função da expansão.
O encéfalo das aves são relativamente grandes, uniformes e peculiares. Os bulbos e
tratos olfativos são, de modo geral, menores do que nos outros vertebrados. O hemisfério
cerebral das aves é superado em tamanho apenas pelo de alguns mamíferos, devido ao
enorme desenvolvimento do corpo estriado com seu neocórtex. Os nervos, tratos e
quiasmas ópticos são grandes. Nas aves e mamíferos, o cerebelo é muito volumoso,
lobulado e convoluto, formando giros e sulcos. As porções superficiais do córtex são
delgadas e a substância cinzenta tornou-se externa. Nas aves, o cerebelo é maior do que
nos outros vertebrados, salvo alguns mamíferos.
Nos mamíferos, os bulbos e tractos olfativos variam de imensos a muito pequenos.
Embora menor que nos répteis e aves, o corpo estriado é bem desenvolvido. O amplo
neocórtex representa a característica dos mamíferos, dominando o encéfalo estruturalmente
e funcionalmente. Estes são lisos em mamíferos pequenos e convolutos na maioria dos de
grande porte. Uma nova comissura, corpo caloso, liga os hemisférios (Hildebrand, 1995).
A cobertura dorsal do mesencéfalo, denominada teto, é o local onde encontramos em
todos os vertebrados, exceto nos mamíferos, o centro primário de percepção da visão. Nos
mamíferos, a percepção visual é migrada, em grande parte, para o cérebro, apesar do teto
do mesencéfalo ainda ser funcional na visão.
221

V Curso de Inverno
Referências Bibliográficas
Bear MF, Connors BW, Paradiso MA. Neurociências: desvendando o sistema nervoso. 2ª ed. Porto
Alegre: ArtMed, 2002.
Carlson NR. Physiology of behaviour. Boston: Allyn & Bacon, 2000.
Guyton AC. Hall JE. Tratado de fisiologia médica. 9º ed. Guanabara, Rio de Janeiro, 1996.
Hildebrand M. Análise da estrutura dos vertebrados. São Paulo, Atheneu, 700p, 1995.
Kandel ER, Schwartz JH, Jessell TM. Principles of Neural Science, 4th ed., New York: McGraw-Hill,
2000.
Lent R. Cem Bilhões de Neurônios. Rio de Janeiro, Atheneu, 2001.
Machado A. Neuroanatomia funcional. São Paulo: Atheneu. 363p, 1993.
www.afh.bio.br
Revisado por Merari de Fárima Ramires Ferrari, Leandro Cortini Calia, Margareth Rose Priel
222

Neurofisiopatologia
Controle neural da pressão arterial e hipertensão
João Paulo de Pontes Matsumoto
jpaulo.fisio@yahoo.com.br
Laboratório de Neurotransmissão e Modulação Neural da Pressão Arterial
A manutenção dos níveis pressóricos dentro de uma faixa de normalidade depende de
variações do débito cardíaco ou da resistência periférica ou de ambos. Diferentes
mecanismos de controle estão envolvidos não só na manutenção como na variação da
pressão arterial (PA), regulando o calibre e a reatividade vascular, a distribuição de fluido
dentro e fora dos vasos e o débito cardíaco. O estudo dos mecanismos de controle da PA
tem indicado grande número de substâncias e sistemas fisiológicos que interagem de
maneira complexa para garantir a PA em níveis adequados nas mais diversas situações.
Desta forma, a dinâmica da PA é efetuada por mecanismos neuro-humorais que
corrigem prontamente os desvios dos níveis basais da PA, para mais ou para menos
(Michelini, 2007). Sendo assim, estes mecanismos reguladores da PA agem como em um
arco-reflexo: envolve receptores, aferências, centro de integração, eferências e efetores
cardiovasculares, além das alças hormonais (id).
Entre os componentes que controlam a PA, os mecanorreceptores ou barorreceptores
são os principais responsáveis pela regulação momentânea da PA. Localizados na crossa
da aorta e no seio carotídeo (Figura 3.1), são constituídos por terminações nervosas livres
situadas na adventícea, próximas à borda média – adventicial, que são extensamente
ramificadas e apresentam varicosidades e convoluções a espaços irregulares (Krauhs,
1979; Chapleau et al., 2001), (Figura 3.2). Mecanorreceptores são sensíveis a distensão ou
deformação da parede vascular, deformações estas que são geradas pela passagem do
pulso de pressão. Os barorreceptores transduzem esse sinal mecânico em sinal elétrico
através de canais iônicos sensíveis a deformações, pertencentes à família das degerinas/
canais epiteliais de Na+ (DEG/EnaC) e presentes nos terminais nervosos. Estes, durante a
sístole, permitem o influxo de Na + e Ca ++ que despolarizam os terminais na proporção direta
da deformação, ou seja, quanto maior a deformação, maior o influxo de íons, maior a
despolarização e vice-versa (Figura 3.2c). Esses sinais são transmitidos ao longo das fibras
aferentes mielinizadas e não-mielinizadas.
As fibras barorreceptoras aórticas (Nervo Depressor Aórtico ou de Cyon) caminham
pelo nervo vago, enquanto as carotídeas (Nervo Sinusal ou de Hering) incorporam-se ao
nervo glossofaríngeo. Há diferenças interespécies quanto à distribuição anatômica do nervo
depressor aórtico, como exemplos no cão onde a região cervical é praticamente inseparável
do tronco vagal (que contém, igualmente, o simpático cervical) ou no coelho em que este
nervo corre isoladamente.
223

V Curso de Inverno
Figura 3.1: A- barorreceptores no seio carotídeo / B- barorreceptores no arco aórtico
Modificado de Boron & Boulpaep, 2007.
Na pressão basal, o nível de descarga dos mecanorreceptores é intermediário entre as
situações extremas (limiar e saturação); a atividade aferente é intermitente e sincrônica com
a expansão da aorta verificada durante o período sistólico (Irigoyen et al., 2005) e a
deformação diastólica não é suficiente para gerar uma descarga de potenciais de ação. O
nível de atividade das fibras aferentes carotídeas e aórticas é, portanto, função direta das
variações instantâneas da deformação e tensão vasculares induzidas pela PA. As
informações sobre os níveis de PA, fornecidas pela frequência de descarga dos receptores,
são conduzidas ao bulbo, ou mais especificamente ao núcleo do trato solitário (NTS)
(Dampney, 1994).
O NTS desempenha papel fundamental na regulação cardiovascular, não só por ser o
local de convergência das aferências periféricas (barorreceptores, quimioreceptores,
receptores cardiopulmonares), como de aferências suprabulbares (hipotalâmicas) em sua
primeira estação sináptica, mas também por distribuir as informações aferentes em tais
núcleos bulbares de integração primária (Michelini, 2007). Desta forma, estes núcleos
recebem informação do NTS (o núcleo dorsal motor do vago (DMV), o núcleo ambíguo (NA)
e o bulbo ventro lateral caudal (BVLc)). Entretanto, o BVLc, constituído por neurônios
224

Neurofisiopatologia
inibitórios gabaérgicos (Figura 3.3), projeta-se para a mais importante fonte de estimulação
simpática, o bulbo ventro lateral rostral (BVLr).
Figura 3.2: Reconstrução tridimensional dos barorreceptores. Modificado de Michelini,
(2007).
A resposta neural comandada pelos barorreceptores é sumarizada da seguinte
maneira: quando há elevação da PA os barorreceptores são estimulados e promovem
aumento da geração de potenciais de ação, conduzidos pelas aferências (carotídeas e
aórticas) até o NTS, excitando-o, através da liberação do neurotransmissor glutamato (Sved
& Gordon, 1994). Por sua vez, o NTS através da liberação do neurotransmissor glutamato,
ativa os neurônios do NA e DMV que, via nervo vago, promove bradicardia reflexa e redução
do débito cardíaco. Concomitantemente à ativação do NA e DMV, os neurônios inibitórios do
BVLc são ativados, inibindo, via liberação do neurotransmissor ácido γ-aminobutírico
(GABA) no BVLr, a atividade simpática.
Em situação de hipotensão os efeitos são inversos à situação de alta pressão, ou seja,
diminuição da atividade vagal e aumento da atividade simpática. Porém, no NTS há uma
grande quantidade de neurotransmissores, neuromoduladores e receptores, cada um com
sua especificidade, como a angiotensina II, adenosina, vasopressina, ocitocina, óxido nítrico
entre outros; montando uma rede complexa de aferências, que aumenta sua complexidade,
plasticidade e acurácia na regulação momento a momento da pressão arterial.
225

V Curso de Inverno
Figura 3.3: Visão esquemática sagital do bulbo de rato: neurônios excitatórios, Δ
neurônios inibitórios. Retirado de Colombari, (2001).
Estima-se que a parcela de hipertensos no Brasil seja da ordem de 15% a 20% da
população adulta, chegando a ser de aproximadamente 50% nos idosos (Sociedade
Brasileira de Hipertensão, 2001). Na hipertensão há aumento no padrão de disparos dos
barorreceptores causado pela elevação da PA. Este aumento causa saturação dos
barorreceptores, diminuindo a resposta reflexa em situações de mudanças abruptas da PA.
Porém, muitos anos atrás, Krieger e colaboradores (1982) demonstraram que os
barorreceptores, após dois dias de hipertensão, conseguem se adaptar ajustando seu
padrão de disparo, mesmo com a PA elevada, ou seja, nessa situação o novo regime de
pressão é reconhecido como “normal”, de forma que as mudanças abruptas da PA serão
corrigidas. Isso é possível porque os elementos elásticos na parede do vaso à qual os
barorreceptores estão ligados sofrem uma deformação devida suas propriedades elásticas,
diminuindo a tensão exercida nos barorreceptores, estes então, voltando à conformação de
níveis normais de PA (Figura 3.4).
Reis e colaboradores (1984) propuseram que a hipertensão arterial sistêmica deve ser
resultado de um desbalanço entre a rede neural central que ativa os neurônios simpáticos
vasomotores e aqueles que os inibem, favorecendo uma alta descarga simpática, que
acarreta em elevação dos níveis pressóricos. Ainda hoje os mecanismos envolvidos na
gênese da hipertensão arterial sistêmica não estão completamente desvendados. Porém,
226

Neurofisiopatologia
houve muita evolução nos conceitos e no seu tratamento, mas há ainda muito que pesquisar
nesta área tão promissora.
Figura 3.4: Registro da ativação dos barorreceptores. Retirado de Michelini (2007).
Referências Bibliográficas
Boron FW, Boulpaep EL. Medical Physiology, 11º ed; Elsevier, 2007.
Chapleau MW, Li Z, Meyrelles SS, Ma X, Abboud FM. Mechanisms determining sensitivity of
baroreceptor afferents in health and disease. Ann N Y Acad Sci. 2001; 940: 1-19.
Colombari E, Sato MA, Cravo SL, Bergamaschi CT, Campos RRJr, Lopes OU. Role of the medulla
oblongata in hypertension. Hypertension, 2001; 38(3 Pt 2): 549-54.
Dampney RA. Functional organization of central pathways regulating the cardiovascular system.
Physiol. Rev. 1994; 74(2): 323-64.
Krauhs JM. Structure of rat aortic baroreceptors and their relationship to connective tissue. J.
Neurocytol. 1979; 8(4): 401-14.
Krieger EM, Salgado HC, Michelini LC. Resetting of the baroreceptors. In: Guyton AC, Hall JE
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Baltimore, University Park Press, pp. 119-146.
Irigoyen MC, Consolin-Colombo FM, Krieger EM. Controle cardiovascular: regulação e papel do
sistema nervoso simpático. Revista Brasileira de Hipertensão; 2001; 8: 55-62.
Michelini LC. Regulação da pressão arterial: mecanismos neuro-hormonais. In: Aires M. M., 3º ed,
Cap. 36. Guanabara Koogan, 2007.
227

V Curso de Inverno
Reis DJ, Talman WT. Brain lesions and hypertension. In: De Jong W, ed. Experimental and
Genetic Models of Hypertension. Elsevier; 451-73. Brrkenhãger WH, Reid JL, eds.
Handbook of Hypertension, vol 4, 1984.
Sociedade Brasileira de Hipertensão, Cartilha do Hipertenso Nº 1, Disponível na rede mundial de
computadores no endereço: http://www.sbh.gov.br, 2001.
Sved AF, Gordon FJ. Amino acids as central neurotransmitters in the baroreceptor reflex pathway.
News Physiol. Sci. 1994, 9: 243-6.
Revisado por Merari de Fárima Ramires Ferrari, Leandro Cortini Calia, Margareth Rose Priel
228

Neurofisiopatologia
Treinamento físico aeróbio: adaptações e benefícios
cardiovasculares e parâmetros comportamentais em animais e
indivíduos hipertensos
Regiane Xavier de Moraes
regiane@ib.usp.br
Laboratório de Neurotransmissão e Modulação Neural da Pressão Arterial
Durante a maior parte da história escrita pelos homens, sempre houve demonstrações
de interesse em entender como o corpo funciona. Antigos escritos egípcios, indianos e
chineses descrevem tentativas realizadas por médicos para tratar várias doenças e
restaurar a saúde. Esterco de camelo e pó de chifre de carneiro podem parecer terapias
bizarras atualmente, mas devemos vê-las sob a perspectiva do que se sabia sobre o corpo
humano desde os primórdios.
A fisiologia (do grego physis, natureza e logos, palavra ou estudo) é o ramo da biologia
que estuda as múltiplas funções mecânicas, físicas e bioquímicas nos seres vivos. De uma
forma mais sintética, a fisiologia estuda o funcionamento do organismo. Aristóteles (384 –
322 a.C.) usou a palavra, com o sentido amplo, para descrever o funcionamento de todos os
organismos vivos e não apenas do corpo humano. Entretanto, Hipócrates (460 – 377 a.C.),
considerado o pai da Medicina, usou a palavra para descrever “o poder curativo da
natureza” e, assim, este campo de estudo tornou-se intimamente associado à medicina. No
século XVI, na Europa, a fisiologia foi considerada como o estudo das funções vitais do
corpo humano, embora, hoje em dia, o termo seja aplicado também ao estudo das funções
dos animais e das plantas.
Dentre as subdivisões independentes da fisiologia (ecofisiologia, fisiologia vegetal,
fisiologia animal, eletrofisiologia) está a neurofisiologia, que estuda a fisiologia do sistema
nervoso e a fisiologia do exercício, que se aplica aos estudos voltados aos efeitos do
exercício físico sobre o organismo.
Para tratarmos ferimentos e doenças de forma apropriada, devemos conhecer o
funcionamento do corpo humano no seu estado saudável. Desta forma, quanto maior a
compreensão dos mecanismos que guiam as funções fisiológicas dos organismos vivos,
com as suas peculiaridades e a ampla gama de detalhes e variáveis, com mais precisão
serão descobertos e efetuados os tratamentos e, concomitantemente, novas terapias
surgirão.
Neste tópico será abordada a relação do exercício físico com a hipertensão arterial,
além de atualidades e tendências em pesquisa na área da fisiologia do exercício e doenças
cardiovasculares. Além disso, será também elucidada a importância do treinamento físico na
alteração de características e hábitos comportamentais.
O sedentarismo é o principal fator de risco de mortes em função de doenças
cardiovasculares e pode contribuir para o aparecimento e/ou agravamento de doenças
229

V Curso de Inverno
cardiovasculares como a hipertensão arterial. A hipertensão arterial é uma das doenças de
maior prevalência na população brasileira e mundial. No Brasil, a Sociedade Brasileira de
Hipertensão (SBH) estima que haja 30 milhões de hipertensos, cerca de 30% da população
adulta. Entre as pessoas com mais de 60 anos, mais de 60% são acometidos. No mundo
são 600 milhões de hipertensos, segundo a Organização Mundial de Saúde. Não se deve
desprezar também a prevalência desta patologia em crianças e adolescentes. A SBH estima
que 5% da população com até 18 anos seja hipertensa, o que corresponde a 3,5 milhões de
crianças e adolescentes brasileiros. Diversos estudos levantaram a prevalência da
hipertensão juvenil. No Rio de Janeiro, por exemplo, ela está em torno de 7%. Em Belo
Horizonte e Florianópolis, 12% e em Salvador, 4% das crianças e adolescentes são
acometidas. Assim, é interessante analisarmos o fato de que como ainda não há cura para a
hipertensão arterial, a detecção precoce e o controle adequado para a vida inteira são
desafios para a saúde pública.
Durante os últimos tempos, o exercício físico, bem como as suas implicações e
conseqüências, tem sido extensamente estudado por cientistas de todo o mundo.
Usualmente, os exercícios aeróbicos e/ou de resistência mais recomendados e utilizados
são a caminhada, a corrida, a natação, a musculação e o ciclismo. Em animais, as
metodologias normalmente utilizadas são a roda de corrida espontânea, além da corrida
induzida em esteiras rolantes adaptadas e a natação forçada. No entanto, rodas de corrida
espontânea é o método de treinamento animal mais indicado para o estudo de parâmetros
fisiológicos por não causar estresse e injúria aos animais. As pesquisas buscam
compreender as ações do exercício no organismo, quais os mecanismos centrais e
periféricos que as norteiam e, principalmente, quais os benefícios que poucas horas de
mudança na rotina diária podem causar tanto para uma pessoa ou animal saudável como
para os acometidos por patologias.
A realização do exercício físico provoca uma série de respostas fisiológicas nos
diversos sistemas corporais, em particular no cardiovascular e nervoso. Objetivando manter
a homeostasia celular, diante do aumento das necessidades metabólicas, há incremento do
débito cardíaco, redistribuição do fluxo e aumento da perfusão sanguínea para a
musculatura em atividade.
Sabe-se que exercícios físicos regulares, quando são adequadamente prescritos, e de
baixa intensidade podem provocar alterações autonômicas importantes que influenciam o
sistema cardiovascular. Entre estas, deve-se ressaltar a atenuação da hipertensão arterial
tanto em humanos quanto em ratos espontaneamente hipertensos. A atividade física
contribui para a melhora do controle barorreflexo e para a redução de aproximadamente 8 e
11 mmHg das pressões arteriais sistólica e diastólica, respectivamente, em indivíduos
hipertensos (Hagberg et al., 2000). Estudos mostram que a diminuição da pressão arterial
deve-se à diminuição do débito cardíaco que está associado à diminuição da freqüência
cardíaca pós-exercício (bradicardia de repouso) (Véras-Silva et al., 1997). Entretanto, alguns
230

Neurofisiopatologia
autores propõem que exercícios crônicos provocam queda na resistência vascular sistêmica
e, consequentemente, redução da pressão arterial (Nelson et al.,1986). O treinamento físico
normaliza o tônus simpático, que controla a freqüência cardíaca em ratos espontaneamente
hipertensos (Gava et al.,1995) e diminui a atividade nervosa simpática em humanos, ou
seja, estes resultados sugerem que a atividade física pode modular a atividade nervosa
simpática para o coração e vasos periféricos explicando, em partes, a queda pressórica.
Durante o exercício ocorrem modificações específicas da freqüência cardíaca, que
constituem um mecanismo muito preciso de manutenção do suprimento do fluxo sanguíneo
para o cérebro, coração, pele e músculos em atividade.
Alguns neurotransmissores possuem importantes funções que garantem condições
necessárias para a realização da atividade física. Entre estes estão a vasopressina e a
ocitocina. A vasopressina e a ocitocina são produzidas em neurônios magnocelulares do
núcleo paraventricular do hipotálamo, que envia e recebe projeções do núcleo do trato
solitário. Ambos os núcleos são importantes centros de controle cardiovascular (Michelini e
Morris, 1999).
A vasopressina facilita a resposta taquicárdica durante a atividade física.
Contraditoriamente, a ocitocina diminui a taquicardia e contribui para a bradicardia. Desta
forma, estes neurotransmissores possuem efeitos específicos e opostos no controle da
freqüência cardíaca. Este balanço entre o estímulo excitatório (vasopressinérgico) e
inibitório (ocitocinérgico) provê a eficiência do ajuste fisiológico requerido
momentaneamente, já que a taquicardia é necessária para suprir a maior demanda de fluxo
sanguíneo e a maior taxa metabólica da musculatura em atividade durante o exercício físico.
Assim, no núcleo do trato solitário de animais treinados, a vasopressina e a ocitocina atuam
como moduladores da freqüência cardíaca durante a atividade física por potencializar ou
moderar, respectivamente, a taquicardia (Michelini, 2001).
É importante enfatizar que as vias vasopressinérgicas e ocitocinérgicas do tronco
encefálico não são os únicos mecanismos centrais envolvidos na gênese da taquicardia.
Assim, projeções descendentes vasopressinérgicas e ocitocinérgicas do núcleo
paraventricular do hipotálamo para o núcleo do trato solitário são parte do mecanismo
central de modulação do reflexo barorreceptor no controle da freqüência cardíaca durante o
exercício e outras condições ambientais (Michelini, 2001).
Podem ser observadas ainda outras alterações cardiovasculares decorrentes do
treinamento físico, tais como a hipertrofia cardíaca. Exercícios aeróbicos, por meio do
aumento de volume sanguíneo, podem estimular adaptações na morfologia cardíaca,
metabolismo energético e funções. Estes podem produzir hipertrofia cardíaca excêntrica, na
qual o aumento da massa ventricular é proporcional ao aumento da câmara cardíaca
(Frohlic et al., 1992). Trata-se de uma resposta fisiológica e compensatória fundamental
para suportar o aumento da carga de trabalho. Estas alterações estruturais, morfo-
231

V Curso de Inverno
funcionais e metabólicas do coração, induzidas pelo exercício, resultam em maior volume de
ejeção sistólica (que se torna mais vigorosa) e em maior esvaziamento ventricular.
Entretanto, a hipertrofia cardíaca pode se instalar em resposta a certos estados
patológicos crônicos como e hipertensão arterial. Na hipertrofia concêntrica o aumento da
massa ventricular não é proporcional ao aumento da câmara cardíaca. Desta forma, o
trabalho cardíaco é feito contra uma excessiva resistência ao fluxo sanguíneo. O coração
hipertrofiado pode falhar e tornar-se incapaz, em casos mais graves, de prover o fluxo
sanguíneo normal para o indivíduo hipertenso.
Vários são os fatores desencadeantes da hipertensão arterial. Entre eles, o excesso de
peso, a alimentação rica em gordura e sal e pobre em frutas, verduras e legumes, o
tabagismo, o alcoolismo e os fatores genéticos. Outros fatores importantes são os
relacionados aos comportamentos e à capacidade de reação em diversas situações
cotidianas. Assim, os comportamentos que atualmente acometem quase a totalidade das
pessoas entre crianças e adultos, como o estresse e a ansiedade, podem desencadear ou
acentuar o estado hipertensivo. A ansiedade, o estresse e a hiperatividade são acentuadas
características comportamentais de ratos espontaneamente hipertensos. Desta forma,
surgiu a necessidade de verificar as ações do exercício físico espontâneo (em rodas de
corrida) sobre parâmetros fisiológicos cardiovasculares e sobre parâmetros
comportamentais, na ânsia de analisar como o treinamento físico pode ajudar e colaborar
para a melhora da qualidade de vida de animais e indivíduos acometidos pela hipertensão
arterial. Interessantemente, foi observado em 2005 (Moraes, R.X. in dissertação de
mestrado) que ratos espontaneamente hipertensos efetivamente treinados em rodas de
corrida espontânea apresentam diminuição do medo/ansiedade, estresse e hiperatividade.
Para este fim, neste mesmo estudo foi padronizado um protocolo de treinamento físico em
rodas de corrida espontânea, um dado até então ausente na literatura, para que fosse
possível verificar as ações do treinamento físico espontâneo sobre tais parâmetros.
Como podemos observar, transtornos de ansiedade e depressão têm sido intimamente
associados a alterações comportamentais e desde os primórdios, o estudo da
psicopatologia experimental tem se ocupado deles através de modelos animais de tais
patologias.
Considera-se que a ansiedade e a depressão são exacerbações não adaptativas da
reação de defesa (Graeff, 1994). A reação de defesa é o conjunto de diversas estratégias
comportamentais selecionadas ao longo da evolução que amplia as possibilidades de
sobrevivência em situação de perigo. Entre mamíferos, os padrões de resposta a estas
situações são parecidos em sua topografia e aparentados em seus mecanismos fisiológicos
de deflagração (Blanchard et al., 1993).
A reação de defesa apresenta-se como uma seqüência de passos na qual a
proximidade do estímulo aversivo ambiental determina variações topográficas e fisiológicas
observáveis e que podem ser classificadas em três níveis, relacionados com substratos
232

Neurofisiopatologia
neurais diferenciados, que podem caracterizar as seguintes emoções: apreensão ou
ansiedade generalizada no nível um, medo no nível dois e pânico no nível três (Blanchard e
Blanchard, 1988). Estes níveis relacionam-se com quatro estratégias: imobilização
(freezing), fuga, agressão defensiva ou submissão (Zangrossi Jr, 1996; Blanchard e
Blanchard, 1988).
O primeiro nível de defesa ocorre quando o perigo é incerto, como em situações de
novidade do ambiente ou quando estímulos potencialmente perigosos ocorreram
anteriormente no ambiente. Neste nível, o comportamento comum do animal é uma
aproximação lenta, receosa e tímida do estímulo aversivo. No segundo nível de defesa, um
estímulo aversivo e potencialmente danoso é identificado e está a uma distância crítica do
animal. Entre os comportamentos observados inclui-se o congelamento, que é a inibição de
comportamentos coerentes e a fuga ou esquiva do ambiente. O terceiro nível implica em
contato estrito do animal com o estímulo aversivo. O principal comportamento observado
neste nível é o de fuga desabalada ou agressão defensiva (Blanchard et al., 1986).
A manutenção destes mecanismos básicos em praticamente todas as espécies de
mamíferos indica o seu alto valor adaptativo. A expressão destes mecanismos, no entanto,
pode ser moldada por situações ambientais diversas, tais como, fatores ligados ao
desenvolvimento, familiaridade com o estímulo ou ainda por ações de variáveis fisiológicas,
como níveis de hormônios ou drogas, lesões, fatores genéticos, etc. (Blanchard e Blanchard,
1988). Isto dá a estes comportamentos a capacidade de serem extremamente plásticos,
podendo ser modulados de acordo com situações vivenciadas pelos animais ou com
estímulos como o treinamento físico, por exemplo.
Para abordar experimentalmente aspectos que representem mecanismos ou sintomas
ansiosos em animais de laboratório, que correspondam ao que é encontrado na ansiedade
humana, foram desenvolvidos inúmeros modelos animais comportamentais. Estes modelos,
geralmente, têm como objetivo enfocar aspectos comuns de ansiedade/medo e defesa
encontrados em seres humanos e animais, tais como alteração na defecação e micção,
reações de sobressalto, alterações na resposta de latência, piloereção, tremores, aumento
da PA, entre outros (Wise e Taylor, 1990).
Em animais de laboratório, o estado de ansiedade eliciado pelos modelos
experimentais é avaliado com base nos mesmos parâmetros utilizados na avaliação da
ansiedade humana, ou seja, na intensidade, duração, freqüência e/ou padrão das respostas
defensivas.
Entre os modelos animais de ansiedade mais utilizados estão o labirinto em cruz
elevado e o labirinto em T elevado.
O labirinto em T elevado, validado farmacologicamente por Graeff e colaboradores
(1998), representa um derivado do labirinto em cruz elevado, que foi modificado a fim de
testar simultaneamente o medo condicionado e incondicionado no mesmo aparelho (Graeff
et al., 1993). Os resultados são obtidos separadamente em cada um dos braços do aparato.
233

V Curso de Inverno
Trata-se de um modelo etologicamente fundamentado, no qual o pressuposto teórico é
a manipulação do medo incondicionado, ou seja, de medos inatos. Esses medos estão
relacionados com a sobrevivência do indivíduo como, por exemplo, no confronto com o
predador (Blanchard et al., 1986). É bem demonstrado que o fator motivacional crítico, no
qual este modelo etológico se baseia é a natureza aversiva aos braços abertos (Zangrossi e
Graeff, 1997).
Este modelo experimental foi desenvolvido para investigar os efeitos de drogas
ansiolíticas e analisar diferentes tipos de ansiedade e, ao mesmo tempo, verificar a memória
(Viana et al.,1994). Também permite mensurar respostas relacionadas com medos
condicionados ou inatos no mesmo animal, além de permitir simultânea verificação da
memória para estes comportamentos (Conde et al.,1999).
Com este teste é possível analisar a esquiva inibitória no braço fechado, que
representa o medo condicionado, e a fuga, nos braços abertos, que representa o medo inato
ou incondicionado. Colocar o animal várias vezes no braço fechado proporciona a
exploração do labirinto e o aprendizado da esquiva inibitória dos braços abertos. Por outro
lado, colocar o animal no final do braço aberto proporciona uma resposta de fuga para o
braço fechado. A re-exposição dos animais a estas situações após um intervalo de tempo
permite verificar a memória para estes comportamentos emocionais (Conde et al. 1999).
Estudos em humanos e animais têm revelado alterações comportamentais e
neuropsicológicas associadas aos exercícios físicos regulares. O treinamento físico melhora
o humor e tem efeitos ansiolíticos e antidepressivos sobre as fobias e a depressão de
pacientes (Simons e Birkimer, 1988; Dimeo et al., 2001). Estes resultados são de grande
valia, sobretudo pelo fato de que a depressão e a ansiedade são desordens
comportamentais que atingem a sociedade como um todo. Nos últimos anos, o avanço
tecnológico, assim como as pressões sociais, políticas e econômicas, têm contribuído para o
aumento de problemas mentais de ordem emocional. Em situações emocionais, o ser
humano pode experimentar basicamente três emoções principais, em resposta a uma
situação ameaçadora; raiva dirigida para fora (equivalente à cólera), raiva dirigida contra si
mesmo (depressão) e ansiedade ou medo (McGauch et al., 1977). Encontrando-se em um
estado de alerta, o organismo exibe uma resposta de luta ou fuga ao agente estressante.
Ocorre que a prática de exercícios físicos aeróbios pode produzir efeitos antidepressivos,
ansiolíticos e proteger o organismo dos efeitos deletérios do estresse na saúde física e
mental (Salmon, 2001).
Exercícios voluntários em rodas de corrida por quatro semanas alteraram o perfil
comportamental de camundongos levando a uma diminuição da ansiedade e impulsividade
de forma a proteger o organismo dos efeitos deletérios do estresse (Binder et al., 2004).
Ainda sobre os aspectos psicobiológicos, a literatura relata forte correlação entre a
melhora da capacidade aeróbia e a melhora das funções cognitivas, como melhor tempo de
234

Neurofisiopatologia
reação, maior força muscular, agilidade motora, melhora do humor e memória,
especialmente em idosos (Williams e Lord, 1997).
Por fim, o exercício físico crônico de intensidade baixa a moderada possui implicações
clínicas importantes já que pode reduzir ou mesmo abolir a necessidade de uso de
medicamentos anti-hipertensivos, diminuindo, desta forma, o custo do tratamento,
extinguindo efeitos colaterais e, principalmente, promovendo melhora do quadro clínico de
indivíduos hipertensos. Assim, pode ser tido como uma importante conduta não
farmacológica no tratamento e controle da hipertensão arterial. Somam-se a estas
descobertas o fato de que o treinamento físico colabora não só para a manutenção e
conquista da saúde cardiovascular mas também para a saúde mental, já que atua
beneficamente na redução de comportamentos maléficos e deletérios, que prejudicam os
sistemas corporais e podem levar à graves patologias psicossomáticas. Finalmente, uma
mudança na rotina diária para o desenvolvimento da prática de esportes, além de ser
prazeroso e desestressante, colabora para a melhora na qualidade de vida bem como para
a manutenção e ganho da saúde física e mental de indivíduos hipertensos e saudáveis.
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Revisado por Merari de Fárima Ramires Ferrari, Leandro Cortini Calia, Margareth Rose Priel
236

Neurofisiopatologia
Neurofisiologia do abuso de drogas
Andreas Betz
abetz79@yahoo.com.br
Laboratório de Neurotransmissão e Modulação Neural da Pressão Arterial
O que são drogas? Parece uma resposta fácil. Porém, para definir que substância é
considerada droga, ela precisa ter pelo menos algumas características. Você pode dizer que
é considerada droga a substância que altera a fisiologia de um organismo. Porém, só isso
não basta, já que vitaminas, por exemplo, possuem esta propriedade. Pode-se dizer
também que drogas são substâncias tóxicas, mas também esta definição não basta. A
melhor maneira de definir uma substância como droga seria, portanto, a soma de algumas
propriedades e também usar a intuição para taxar uma substância como tal.
Todas drogas têm nomes químico, genérico e comercial. Como exemplo, irei usar uma
droga tranqüilizante bem conhecida: o diazepam. Diazepam é o nome genérico do 7-cloro-1-
metil-5-fenil-1,3-dihidro-2H-1,4-benzodiazepin-2-ona (nome químico) ou Valium® (nome
comercial). A mesma droga pode ter alguns nomes comerciais, por causa da presença de
várias empresas vendendo o mesmo produto.
As drogas possuem várias vias de administração. Através da via oral, a droga é
ingerida e absorvida pelo sistema digestório. Na via subcutânea, a droga é administrada sob
a pele ou embaixo do tecido cutâneo. Na via intramuscular, a droga é administrada através
da inserção de uma agulha no músculo esquelético, geralmente escolhidos como alvo o
deltóide ou o glúteo máximo. Na via intraperitoneal, a droga é administrada através de uma
agulha inserida na região abdominal onde se localizam os órgãos viscerais. Na via
intravenosa, a droga é administrada através da veia do indivíduo, diretamente na corrente
sanguínea. Ainda podemos citar a administração de drogas via inalação, onde a droga é
absorvida diretamente pelos pulmões; injeções intracerebroventriculares, nas quais a droga
é injetada diretamente nos ventrículos cerebrais e também injeções intracerebrais, na qual a
droga é administrada diretamente em alguma área do cérebro.
A maioria das drogas é metabolizada no fígado, podendo se transformar em
subprodutos que podem ou não serem ativos. A maioria delas também é excretada pelo
corpo através dos rins, fezes, suor e saliva.
Quando uma droga é desenvolvida, ela passa por vários testes até ser aprovada para
o consumo humano, se for considerada funcional e segura. Um método muito usado para
verificar as propriedades terapêuticas das drogas é a utilização de animais experimentais e
vários protocolos diferenciados. Através destes protocolos pode-se verificar, por exemplo,
alterações no comportamento e em estruturas cerebrais que podem levar a um
entendimento maior sobre a substância a ser analisada.
As drogas podem gerar estados de tolerância, sensibilização e abstinência. A
tolerância é um fenômeno que ocorre através da administração, que faz com que o indivíduo
necessite de maior quantidade de substância para conseguir o efeito esperado da droga.
237

V Curso de Inverno
Ainda não se sabe qual o mecanismo responsável por este fenômeno, porém, sabe-se que
após a descontinuidade do uso, a tolerância desaparece.
A sensibilização é uma situação na qual a repetida administração da droga leva a um
aumento nos efeitos dela, ou seja, uma ação inversa à descrita na tolerância. Sua
ocorrência não é muito comum. Como na tolerância, a sensibilização desaparece após a
descontinuidade do uso.
A abstinência se dá através da descontinuidade ou diminuição do uso de drogas que
levam à mudanças na fisiologia do indivíduo. Ela pode ocorrer alguns minutos depois da
última administração da droga ou após algum tempo sem a utilização da mesma. Um dos
mais conhecidos sintomas da abstinência é a “ressaca”.
Como as drogas psicotrópicas agem? Estas drogas atuam principalmente na
neurotransmissão encefálica. Elas alteram e modulam a comunicação entre os neurônios,
através de interações com os neurotransmissores e seus receptores. Neurotransmissores
são substâncias como monoaminas e peptídeos, entre outros, que são os responsáveis pela
comunicação entre as células do sistema nervoso. A maioria dos neurotransmissores se
encontra em vesículas sinápticas, presentes em terminais axônicos, próximos da fenda
sináptica (Tabela 5.1).
Tabela 5.1 – Alguns neurotransmissores do Sistema Nervoso Central
Acetilcolina
Monoaminas
Adrenalina
Noradrenalina
Dopamina
Serotonina
Histamina
Aminoácidos
Glicina
Glutamato
Prolina
Ácido gama-aminobutírico (GABA)
As drogas podem atuar de várias maneiras agindo, por exemplo, como agonistas de
neurotransmissores, mimetizando a ação de neurotransmissores endógenos (nicotina);
238

Neurofisiopatologia
inibindo a recaptação de neurotransmissores, ou seja, fazendo com quem eles permaneçam
por mais tempo nas fendas sinápticas (cocaína); bloqueando receptores e, inibindo a
recaptação da serotonina, que permanece maior tempo na fenda (Prozac) entre outras
formas.
A maioria das drogas causa o vício. O vício é uma síndrome comportamental na qual a
procura pela droga e o seu uso dominam o comportamento do indivíduo. A droga de abuso
(droga usada sem fim terapêutico) possui um grande poder motivacional, pelo prazer e
euforia que pode proporcionar, porém suas conseqüências podem ser danosas aos seus
usuários e familiares.
A principal via relacionada com o vício de drogas é a mesolímbica de reforço. Ela é
composta por dois núcleos principais: a área tegmental ventral e o nucleus accumbens. A
área tegmental ventral possui neurônios dopaminérgicos que se projetam para o nucleus
accumbens, liberando dopamina neste núcleo, o que inicia o processo de adição (Figura
5.1).
Figura 5.1: Via mesocorticolímbica de reforço. Fonte: www.humanillnesses.com/.../
Addiction.html
Após a ativação deste sistema, há a interação de vários outros núcleos encefálicos
que vão interpretar e modular uma resposta ao estímulo apresentado. Entre os principais
núcleos, destacam-se a amígdala (relacionada com aprendizado associativo) e o córtex préfrontal
(relacionado com o comportamento motivacional). A interação destes núcleos leva ao
comportamento de busca e abuso de drogas.
Há uma gama enorme de drogas que são utilizadas tanto para abuso quanto para fins
terapêuticos e, muitas vezes, a diferença entre um e outro se deve apenas à quantidade da
droga ingerida.
239

V Curso de Inverno
Estimulantes Psicomotores
Os estimulantes psicomotores são drogas que agem principalmente sobre sinapses
adrenérgicas, noradrenérgicas, dopaminérgicas e serotoninérgicas. Entre eles, os mais
conhecidos são: metilfenidato (Ritalina®), cocaína, anfetamina, metanfetamina e efedrina
(Franol®). Cocaína e efedrina são encontradas na natureza, enquanto o metilfenidato é
sintetizado em laboratório.
Estas drogas são administradas via injeção intravenosa e intramuscular, inalação ou
via oral. Elas atravessam rapidamente a barreira hemato-encefálica alterando a
neurotransmissão do indivíduo. A anfetamina, a metanfetamina e a efedrina atuam inibindo a
recaptação de dopamina pelos neurônios e também aumentando a liberação de
neurotransmissores. A cocaína atua somente inibindo a recaptação de dopamina pelos
neurônios. Elas são muitas vezes consumidas com outras drogas, o que leva a um aumento
do seu efeito prazeroso.
As drogas estimulantes causam sensação de bem-estar e excitação, e levam à
mudanças fisiológicas como vaso e broncodilatação, taquicardia, insônia, irritabilidade,
perda de apetite, agressividade, psicose, entre outros sintomas. Elas podem desencadear
diversos mecanismos fisiológicos como o surgimento de arritmias e convulsões, além de
poder levar à morte por depressão de núcleos respiratórios centrais e parada cardiorespiratória.
Álcool
O álcool é uma das drogas mais usadas no mundo. Foram encontradas evidências de
sua fabricação na China há mais ou menos 9.000 anos (McGovern et. al., 2004). O álcool é
produzido por fermentação ou destilação, sendo que as bebidas destiladas possuem maior
teor alcoólico (em torno de 40%). Ele é administrado oralmente e sua absorção é feita
através do sistema digestório. A maioria das moléculas de álcool é metabolizada no fígado e
o restante é eliminado pelo organismo junto com o suor, urina e fezes, entre outros.
O álcool altera vários sistemas de neurotransmissão como o serotoninérgico (receptor
5-HT3), GABAérgico, glutamatérgico e opióide (Froehlich & Li, 1993).
Alguns efeitos do álcool são: vasodilatação periférica, euforia, desinibição, diurese e
letargia; atua como sedativo, levando indivíduos a terem mais sono (porém diminui o tempo
de sono REM), altera a visão e o tempo de reação, além de também causar perda de
memória.
Opióides
São drogas derivadas da papoula. Possui dois ingredientes ativos: a morfina e a
codeína. A heroína é uma droga derivada da morfina e tem capacidade de chegar ao
cérebro mais rápido e em maior concentração do que a morfina. Hoje em dia existe uma
240

Neurofisiopatologia
enorme quantidade de opióides sintéticos, geralmente utilizados por hospitais, como
potentes anestésicos.
A heroína foi produzida pela primeira vez em 1898. Após a sua administração, que
pode ser nasal, intravenosa e por vapor de fumaça (broncoaspiração), atua no cérebro,
principalmente em áreas relacionadas com a dor e necessidades básicas do indivíduo,
agindo em receptores opióides, que se ligam normalmente à endorfinas e encefalinas.
Os opióides causam sensação de bem estar, acompanhada de vários efeitos colaterais
como náusea, vômito, constipação, alterações na visão e audição, alucinações, além de
deprimir núcleos bulbares responsáveis pelo controle respiratório e cardíaco, podendo levar
o individuo a morte.
Nicotina
A nicotina é um alcalóide encontrado nas folhas de tabaco e é um dos maiores
responsáveis por mortes de causas não naturais em todo o mundo.
Ela causa aumento da pressão arterial, da frequência cardíaca, da atividade motora,
vasoconstrição, náusea, diminuição do apetite, entre outros sintomas (McBride et. al., 1998).
A nicotina atua como agonista de receptores nicotínicos de acetilcolina, alterando a
maquinaria cerebral. Ela atravessa a barreira hemato-encefálica e chega ao cérebro em
torno de dez segundos após sua administração. Uma única exposição à nicotina aumenta a
liberação de dopamina no nucleus accumbens por mais de uma hora (DiChiara & Imperato,
1998) através da estimulação, via receptores nicotínicos de acetilcolina, de neurônios
dopaminérgicos da área tegmental ventral (circuito de recompensa).
Esta droga também causa alterações na concentração, memória e humor.
A nicotina pode causar aterosclerose, câncer de pulmão, boca e garganta, entre outros
sintomas que, normalmente, só aparecem após longo período de uso.
Maconha
A maconha é utilizada há muito tempo (em torno de 6.000 anos). O ingrediente ativo
da maconha é o delta-9-tetrahidrocanabinol. Ela é encontrada em três espécies de plantas:
Cannabis sativa, Cannabis indiana e Cannabis ruderalis (Grinspoon & Bakalar, 1997).
A maconha pode ser administrada oralmente (o que resulta em um efeito mais lento)
ou fumada (que causa um efeito rápido). Ela age no sistema canabinóide cerebral, que
responde pelos canabinóides endógenos anandamida e 2-araquidonilglicerol. Porém é muito
mais potente que os canabinóides endógenos.
A maconha causa euforia, alteração na sensibilidade auditiva, visual e tátil (R. T.
Jones, 1978), perda da percepção de tempo e alteração na criatividade. Seus efeitos
adversos podem ser: olhos vermelhos, boca seca, fome, aumento da freqüência cardíaca e
temperatura corporal, náusea, insônia e dores de cabeça, déficit de atenção e até reações
psicóticas.
241

V Curso de Inverno
Contudo, pode ter efeitos terapêuticos em casos clínicos como glaucoma (Grinspoon &
Bakalar, 1997) bem como em problemas motores e espasticidade (Braude & Szara, 1979,
vol 2).
Alucinógenos
Os mais conhecidos membros deste grupo de drogas são o LSD (dietilamida do ácido
lisérgico), a mescalina (derivada de cactos) e o ecstasy. Estas drogas agem no sistema
nervoso central, na neurotransmissão serotoninérgica e dopaminérgica. Elas podem ser
administradas por via oral, sublingual, injetadas ou inaladas, e praticamente não produzem
efeitos físicos.
O LSD geralmente é consumido na dose de 100 a 300µg. Cerca de 1% da dose chega
ao cérebro. É degradado pelo fígado e eliminado pelas fezes. Os efeitos variam bastante,
podendo provocar ilusões, alucinações, grande sensibilidade sensorial (cores mais
brilhantes, percepção de sons imperceptíveis), “flashbacks”, paranóia, alteração da noção
temporal e espacial, confusão, sentimento de bem-estar, experiências de êxtase, psicose
por “má viagem” entre outros.
Estas drogas possuem uma grande tolerância quando administradas repetidamente.
Porém, não apresentam abstinência, já que raramente são administradas por muito tempo.
Drogas psicoterápicas
Entre as drogas psicoterápicas, há três grupos principais: os tranqüilizantes-sedativos,
os antidepressivos e os antipsicóticos.
Tranqüilizantes-sedativos: existem dois grupos principais – os barbitúricos e os
benzodiazepínicos. Os barbitúricos foram as primeiras drogas tranqüilizantes desenvolvidas,
porém, apresentavam alguns efeitos não desejáveis e tinham uma potente ação depressora
em núcleos bulbares que, com uma dose mais elevada, poderia levar o individuo à morte.
Com o desenvolvimento dos benzodiazepínicos, os barbitúricos foram praticamente
deixados de lado. Os benzodiazepínicos mais conhecidos são o diazepam (Valium®),
clonazepam (Rivotril®) e um de grande interesse é o flunitrazepam (Rohypnol® ou “boa
noite Cinderela”) por seu uso não medicinal.
Estas drogas agem no sistema nervoso central potencializando as sinapses
GABAérgicas, ou seja, inibindo a comunicação do sistema nervoso podendo também, em
alguns casos, alterar a recaptação de adenosina, outro receptor inibitório. Seus efeitos
incluem diminuição da atenção, perda de memória e de habilidades motoras em geral.
Antidepressivos: existem vários tipos de antidepressivos. Entre eles destacam-se os
inibidores de monoamina-oxidase (MAOis), os tricíclicos (ATCs), os inibidores de recaptação
de serotonina (SSRIs) e os inibidores de recaptação de noradrenalina (SNRIs). Todos eles
agem de acordo com a teoria de depressão das monoaminas, na qual a depressão seria o
resultado de uma menor ativação dos sistemas monoaminérgicos no cérebro. Entre esses
242

Neurofisiopatologia
vários tipos, os mais conhecidos e difundidos no mercado são a sertralina (Zoloft®) e a
fluoxetina (Prozac®). Além destes, o lítio é usado no tratamento de transtornos bipolares. A
fluoxetina pode também ser usada em tratamento de personalidade obsessivo-compulsiva
(Gitlin, 1993).
A taxa de absorção destas drogas varia bastante e a maior parte delas é degradada
pelo fígado.
Os efeitos reportados mais comuns do uso de antidepressivos são: boca seca,
constipação, tontura, arritmia cardíaca, náusea, dor de cabeça, redução do sono REM e
suor excessivo. Alguns pacientes reportaram sintomas extrapiramidais.
Alguns SSRIs parecem ser eficientes no tratamento do vício em outras drogas,
inclusive o alcoolismo.
Antipsicóticos: existem várias hipóteses sobre a psicose, porém, a mais aceita é a
dopaminérgica, a qual preconiza que a esquizofrenia é o resultado do excesso da atividade
da dopamina no cérebro.
Os antipsicóticos são drogas chamadas, às vezes, de grandes tranqüilizantes. Existem
dois grupos de antipsicóticos – os típicos (ex: chlorpromazina; haloperidol), que atuam
bloqueando os receptores D2 de dopamina e os atípicos (ex: clozapina; risperidona;
quetiapina), que atuam bloqueando os receptores D3 e D4 de dopamina além do receptor 5-
HT2A de serotonina.
A esquizofrenia (transtorno psicótico) é caracterizada pela falta de contato com a
realidade. A pessoa parece ficar em um mundo à parte, não consegue interpretar eventos, e
é acometida por alucinações.
Os efeitos dos antipsicóticos variam muito. Entre eles podemos citar os sintomas da
doença de Parkinson (efeitos extrapiramidais) causados em 40% dos pacientes que usam
medicamentos típicos, os movimentos constantes compulsivos (acatisia) e os distúrbios de
movimento (discinesia); além de alterações na frequência cardíaca, pressão arterial e
possíveis ataques epiléticos, entre outros. A clozapina está relacionada com uma doença
fatal chamada agranulocitose. Porém, os antipsicóticos não são drogas letais, sendo
praticamente impossível obter uma overdose.
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Revisado por Merari de Fárima Ramires Ferrari, Leandro Cortini Calia, Margareth Rose Priel
244

Neurofisiopatologia
Fisiologia aplicada a reabilitação de doenças
neurodegenerativas
Fernanda Beatriz Monteiro Paes Gouvêa
beemonteiropaes@hotmail.com
Laboratório de Neurotransmissão e Modulação Neural da Pressão Arterial;
Leandro Cortoni Calia
Faculdade de Medicina da Universidade de Santo Amaro.
6.1. Envelhecimento e morte do Sistema Nervoso
O processo evolutivo (desenvolvimento, amadurecimento e envelhecimento) é
caracterizado por modificações permanentes, desde a fecundação do óvulo até a morte.
Estas modificações podem ser morfológicas, fisiológicas ou de conduta e são diferentes em
cada um dos estágios da vida.
O processo de envelhecimento, apesar de ter características comuns nos seres
humanos, pode variar de acordo com interferências ambientais, como condições de vida,
higiene, alimentação e índice de mortalidade de uma determinada população.
Em muitos países, legalmente, a idade considerada como início da velhice é de 65
anos.
Além das mudanças físicas (pele, cabelos, dimensões corpóreas), ocorrem
modificações mentais. Estas mudanças são mais subjetivas e, portanto, mais difíceis de
avaliar. Ocorre redução da função sexual (climatério), diminuição da tolerância glicídica, das
funções renal e respiratória, diminuição do índice cardíaco, força muscular e da velocidade
de condução neuronal, além de diminuição da acuidade sensorial (visual, auditiva, gustativa,
olfativa), redução na capacidade isoimunitária e aumento da reação auto-imunitária. Cresce
a vulnerabilidade ao estresse, injúrias e doenças em geral. Nos últimos anos, as melhoras
no sistema sanitário, higiene, alimentação, qualidade da medicina e ambientação social
contribuíram para o declínio desta vulnerabilidade. Contudo, ainda existem diferenças
acentuadas entre populações, o que denota tanto a desigualdade de acesso aos recursos
modernos quanto a provável existência de fatores genéticos no envelhecimento, que
diferenciam populações (Andrade et al, 2004; Cambier e Dehen, 1988; Greve e Amatuzzi,
1999; Leonard, 2006).
Os processos de desenvolvimento são identificados pela capacidade adaptativa do
organismo. O envelhecimento é caracterizado por respostas adaptativas insuficientes ou
inadequadas. Ocorrem diminuições da massa protéica, do tecido orgânico de ossos e
vísceras, ocorre rigidez de certos tecidos, como o das artérias, do cristalino e da pele;
surgem pontos de hiperpigmentação na pele, vísceras e Sistema Nervoso, devido ao
acúmulo de lipofuscina. Gorduras são acumuladas e há redução de massa mineral. Os
processos mitóticos ficam reduzidos e há declínio do metabolismo basal, no conteúdo de
245

V Curso de Inverno
água celular, débito cardíaco e capacidade vital pulmonar (Nitrini e Bacheschi, 2003;
Oliveira, 2003).
O envelhecimento é um fenômeno multifatorial. Somam-se ao fator genético, o
aparecimento de mutações aleatórias do DNA de células somáticas - que são acumulativas
– alterações imunológicas, o entrecruzamento molecular e a formação de radicais livres.
Durante o envelhecimento, ocorrem modificações fisicoquímicas entre moléculas, que
ficam maiores, mais complexas e com digestibilidade reduzida, entre outras, o que torna o
tecido rígido. A permeabilidade e o fluxo de substâncias ficam alterados, assim como fica
reduzida a integridade celular. A formação de radicais livres de oxigênio e de peróxidos
lipídicos origina aldeídos, causadores de ligações entrecruzadas entre macromoléculas,
gerando estas modificações. No indivíduo idoso, há maior formação de radicais livres, que
induzem a formação de mais ligações entrecruzadas (Douglas, 2000; Cistemas, 2003).
O processo de envelhecimento ocorre por insuficiência genética, metabólica, hormonal
e imunológica, como manifestação progressiva das alterações de função e estrutura, que
culminam na diminuição da capacidade de reagir às agressões.
Estas modificações podem ser determinadas por alterações genéticas na codificação
de proteínas que corrigem mutações sutis ou mesmo alterações na expressão do material
genético. Agentes como raios ultravioleta, substâncias químicas e alguns tóxicos podem
desencadear mutações. Os mecanismos exatos de envelhecimento celular são pouco
conhecidos.
O Sistema Nervoso envelhece lentamente após a maturidade, e termina na morte da
pessoa e de seu cérebro. As causas do envelhecimento ainda não foram completamente
esclarecidas.
O cérebro de um idoso é menor e mais leve, com alguns giros mais finos, separados
por sulcos mais profundos. As cavidades são mais abertas e o córtex, portanto, menos
espesso. São sinais de atrofia que podem ser observados com técnicas de imagem, como a
tomografia computadorizada e a ressonância magnética. Ao ser observado no microscópio,
o espaço extracelular possui depósitos de fragmentos de neurônios – as chamadas placas
senis. Muitos neurônios possuem novelos de neurofibrilas no citoplasma. O número de
neurônios diminui, assim como o número de sinapses e de substâncias químicas produzidas
(principalmente enzimas que sintetizam e degradam neurotransmissores). Surgem proteínas
anômalas nas placas senis; a principal é a ß-amilóide. Ocorrem modificações como lapsos
de memória, diminuição da velocidade de raciocínio, confusões passageiras, dificuldade de
locomoção, falta de equilíbrio, tremor distal, insônia noturna e sonolência diurna (Cambier e
Dehen, 1988; Douglas, 2000; Oliveira, 2003).
A velhice leva à deficiência no controle genético de produção de proteínas estruturais,
enzimas e fatores tróficos, que repercute na função das células nervosas, dificultando a
gênese, condução e a transmissão de impulsos nervosos. As células se degeneram,
rompem e liberam detritos que se acumulam em placas senis; com o aumento das células
246

Neurofisiopatologia
anormais e a diminuição das normais; as neuroglias (sistema imunológico) são incapazes de
remover os detritos, aumentando a quantidade destas placas. A principal degeneração é dos
mecanismos de memória, neurônios e circuitos colinérgicos; porém, ocorrem também
alterações circulatórias, respiratórias, digestivas, etc. que contribuem para a perda de
função generalizada do organismo e acabam por levá-lo à morte.
Em alguns indivíduos, observa-se a ocorrência de um comprometimento cognitivo
progressivo, acompanhado do ponto de vista histopatológico por alterações degenerativas
das proteínas fibrilares, que se acumulam de maneira desorganizada no citoplasma,
caracterizando o quadro de Doença de Alzheimer.
6.2. Degeneração
A mielina é de fundamental importância para a condução do impulso no Sistema
Nervoso. A resistência ao potencial de ação aumenta em áreas desmielinizadas, e o sinal
pode lentificar ou nem mesmo chegar ao local destinado.
A desmielinização do Sistema Nervoso Central envolve danos à bainha de mielina no
cérebro e medula espinal.
Diferentemente de muitos outros tecidos, o Sistema Nervoso tem capacidade limitada
de reparação após ter sido lesado. Neurônios adultos não conseguem se reproduzir e, cada
neurônio que morre representa um neurônio a menos que teremos para “se conectar”.
Porém, as células-tronco neurais existem tanto no Sistema Nervoso adulto quanto em
encéfalos ainda em desenvolvimento. São células indiferenciadas, precursoras de neurônios
e glias. Por maturação e diferenciação, podem dar origem a vários tipos diferentes de
células do Sistema Nervoso Central. Suas características incluem a capacidade de autorenovação,
de diferenciação em muitos tipos de neurônios e células gliais, além da
capacidade de povoar regiões do Sistema Nervoso central em desenvolvimento e em
degeneração.
Em encéfalos de mamíferos adultos, existem locais de divisão celular de alta
densidade, possivelmente locais de células-tronco. Estas células são sensíveis ao ambiente,
o que lhes confere capacidade de se diferenciarem de acordo com a célula do local em que
se encontram. Além disso, sua proliferação responde ao estímulo de fatores de crescimento.
Ainda não se conhece exatamente a função das células-tronco em encéfalos adultos.
Contudo, seu papel em implantes cerebrais tem sido motivo para entusiasmo de
pesquisadores: as células-tronco, quando implantadas, sobrevivem e até mesmo se
proliferam, mesmo no Sistema Nervoso, e fazem conexão com neurônios pré-existentes.
Em todos os indivíduos ocorre uma lenta lesão cumulativa desencadeada por
subprodutos tóxicos do metabolismo celular, que provavelmente contribui para a morte
neuronal ao longo da vida. Essa perda de neurônios pode não ser impedida.
247

V Curso de Inverno
6.3. Genética molecular
Os humanos têm de 30 a 70 mil genes, distribuídos em 23 pares de cromossomos (22
autossômicos e um par de cromossomos sexuais). Para cada gene, temos um alelo em
cada cromossomo. A molécula de DNA é usada como padrão para a replicação de cópias
adicionais durante a divisão celular, pela ligação de nucleotídeos livres com as bases
complementares da cadeia aberta de DNA, unidos pela enzima DNA-polimerase numa nova
dupla-hélice de DNA. Pequenas secções da molécula de DNA são usadas como padrão
para a síntese de RNA mensageiro, responsável pelo transporte de mensagens para síntese
de proteínas específicas. O RNAm é bem mais curto que a molécula de DNA e possui uma
cadeia simples (enquanto o DNA é duplo).
A conversão da informação codificada do DNA depende do código genético.
Seqüências de três nucleotídeos formam códons que, por sua vez, representam
aminoácidos que compõem a molécula de proteína. Vários aminoácidos podem ser
codificados por mais de um códon. Além disso, existem três stop códons, que encerram
transferências de informação (Bear et al, 2002; Lent, 2001; Kandel et al, 2003).
Embora todas as células possuam o mesmo conjunto de genes, algumas células têm
genes especializados que codificam proteínas específicas para a síntese de transmissores
específicos, sob coordenação de proteínas reguladoras chamadas fatores de transcrição.
O controle da manifestação de enzimas responsáveis pelos sistemas
neurotransmissores é feito pelos fatores que operam durante o desenvolvimento
embrionário e pelo grau de atividade neuronal. Quanto mais ativo é o sistema nervoso,
maior a síntese de neurotransmissores importantes para o comportamento do organismo.
Algumas doenças são causadas por um único gene. Assim, se uma pessoa herda dois
alelos doentes, desenvolve a doença. Outras doenças são poligênicas: genes múltiplos
trabalham juntos para transmitir o risco de um transtorno, sendo este maior quanto maior for
a quantidade de alelos doentes num indivíduo. Além do mais, a genética pode interagir com
fatores ambientais e complicar o quadro.
A hereditariedade é uma medida de quanto a variância de um traço pode ser atribuído
à genética. Quando a hereditariedade para um traço é alta, a quantidade de variância no
traço é determinada pela genética. Contudo, a hereditariedade não diz nada a respeito do
ponto no qual cairá a média da população, como também não impede os efeitos do
ambiente. Em humanos, é calculada a partir do estudo de gêmeos e pode ir de 0 a 1,0.
Quando não há efeito da genética na variância, dizemos que ela é 0; quando a genética
comanda toda a variância, dizemos que é 1,0.
Graças aos avanços na genética molecular, hoje é possível identificar prováveis genes
ou regiões de cromossomos responsáveis por determinadas doenças.
Cromossomos são longos filamentos de DNA, feitos de quatro bases: timina, guanina,
adenina e citosina. Cada timina tem uma adenina complementar e cada guanina, uma
citosina. Entre os genes, existem trechos de DNA sem sentido, que nunca são transcritos
248

Neurofisiopatologia
em RNAm nem traduzidos em proteínas. Mutações nesses trechos parecem não ter efeito
nas funções humanas. Assim, ao longo das gerações, desenvolvemos inúmeras mutações
nesses trechos, ao ponto de termos um DNA único. Essa é a base da impressão digital de
DNA: uma área única é chamada de “marcador”, e podem ter seqüências muito diferentes
entre os indivíduos.
Os principais estudos de genética molecular são os de associação e os de ligação. Os
estudos de associação são feitos entre pessoas que têm e que não têm uma determinada
doença, e que não possuem vínculo familiar (consangüineidade). É usado para saber se o
DNA na região do gene transportador é diferente entre essas pessoas, se há polimorfismos
nos acometidos que não ocorrem nos indivíduos sadios. Enzimas específicas “cortam” o
DNA em determinadas seqüências de bases, e este é posteriormente colocado em gel e
exposto a um campo elétrico. Os fragmentos mais curtos se deslocarão mais no gel que os
mais compridos. Assim, examinam-se os padrões do gel dos dois tipos de indivíduos, para
ver se existem polimorfismos diferentes.
Na maioria das vezes, não se sabe exatamente onde está o gene de interesse, apenas
que os polimorfismos em um marcador particular são diferentes nos dois grupos; ou não se
sabe quais genes estão ao redor do marcador ou, ainda, podem-se saber quais genes estão
em volta do marcador, mas não é possível identificar qual deles é o responsável pela
modificação. A possibilidade de erro aleatório em estudos de associação é alta, e os estudos
requerem muitas replicações antes que possam ser aceitos.
Os estudos de ligação envolvem descendência e duas ou mais características
associadas, para localizar os genes de interesse. Geralmente são usados marcadores cuja
localização já é conhecida, pois poucos traços humanos podem ser usados em estudos de
ligação. Além desta dificuldade, o estudo de ligação requer acesso não só ao indivíduo
acometido, mas aos membros de sua família, preferivelmente por várias gerações, o que
também não é fácil.
Uma das mais importantes áreas da genética molecular envolve as chamadas
seqüências regulatórias, seqüências específicas de bases que circundam genes e que são
ativadas ou desativadas por fatores específicos de transcrição.
Com a clonagem molecular, inúmeros novos receptores foram descobertos. É possível
determinar e distribuir regionalmente a localização celular do RNAm de receptores, com
grande especificidade, o que possibilita relacionar o local de transcrição dos receptores e
seus sítios de ligação funcionais.
O estudo da interação entre alterações gênicas e efeitos de fármacos também tem
despertado interesse. Já se reconhece que a resposta do Sistema Nervoso a determinadas
drogas pode decorrer da modificação da expressão gênica.
Técnicas de biologia molecular são freqüentemente empregadas na investigação de
sistemas neurais modificados por drogas. Os processos histoquímicos são usados para
identificar componentes químicos de células e tecidos, utilizando corantes, tinturas e outras
249

V Curso de Inverno
substâncias químicas, que se ligam ou reagem com cortes de tecido, possibilitando
visualizar a reação. São corados citoplasma e outras estruturas celulares, geralmente em
função do pH. Pode-se estudar também a estrutura e a organização cerebral por reações
químicas realizadas por neurônios. A fluorescência utiliza a propriedade de formar produtos
de condensação fluorescentes em presença de formaldeído, característica das aminas
primárias (como dopamina, noradrenalina, serotonina e histamina).
A citoquímica estuda a localização, as relações estruturais e as interações dos
conteúdos celulares através de microscopia eletrônica, fracionamento celular e técnicas
imunoquímicas. Atualmente é possível extrair partes homogêneas de proteínas e de RNAm
de receptores para neuropeptídeos, assim como enzimas de síntese e degradação de
neurotransmissores de tecidos, o que permite clonar, seqüenciar e expressar genes para
diferentes neurotransmissores e receptores.
6.4. Doença de Parkinson
A doença de Parkinson é a forma mais comum de parkinsonismo, que possui diversas
etiologias, inclusive o uso de fármacos (Bear et al, 2002; Douglas, 2000; Oliveira, 2003;
Pliszka, 2004).
A doença de Parkinson é o distúrbio mais comum dos núcleos da base e tem como
características a rigidez muscular, marcha de pés arrastados, postura encurvada, tremores
musculares rítmicos em repouso (em torno de 3 a 5 Hz) que desaparecem com a
movimentação voluntária e uma expressão facial em máscara (ausência de expressão ou
amimia), mas pode apresentar também bradicinesia, acatisia, festinação, congelamento,
cinesia paradoxal, micrografia, disartria e sialorréia, entre outros (Barbosa et al, 2003; Bear
et al, 2002. Cambier e Dehen, 1988; Delong, 2003; Pliszka, 2004).
É causada pela degeneração das aferências da substância negra ao estriado, que
utilizam a dopamina como neurotransmissor. A dopamina facilita a alça motora direta ao
ativar células do putâmen. A falta de dopamina faz parar o sistema que alimenta a atividade
na área motora suplementar via núcleos da base.
A doença interfere nos movimentos voluntários e nos automáticos e é causada pela
morte das células produtoras de dopamina da substância negra e de células produtoras de
acetilcolina do núcleo pedúnculopontino, por motivos ainda desconhecidos. O começo das
mortes celulares ocorre muito antes de aparecerem os sinais clínicos da doença.
A etiologia do parkinsonismo pode ser identificada pelo quadro clínico (exame
neurológico e anamnese), mas precisa de exames complementares (ressonância magnética
encefálica, tomografia craniana, exame do líquido cerebroespinal) para sua exata
determinação. A tomografia por emissão de pósitrons (PET) identifica a insuficiência
dopaminérgica, mesmo em indivíduos assintomáticos, mas ainda é um método caro e nem
sempre acessível.
Na doença de Parkinson existe desequilíbrio entre a atividade dopaminérgica e a
250

Neurofisiopatologia
colinérgica. A maior parte dos tratamentos aumenta a atividade dopaminérgica. A morte de
aproximadamente 80% das células produtoras de dopamina da via direta dos núcleos da
base reduz a atividade nas áreas motoras do córtex cerebral, o que causa diminuição nos
movimentos voluntários. Já a perda das células pedúnculopontinas gera a desinibição dos
tratos reticuloespinal e vestibuloespinal, causando contração excessiva dos músculos
posturais.
O uso acidental de um narcótico sintético de procedência duvidosa, nas décadas de 70
e 80, fez médicos investigarem e concluírem que o parkinsonismo poderia ser desenvolvido
por indivíduos jovens, e que esta forma da doença estaria ligada ao MPTP (1-metil-4-
fenil-1,2,3,6-tetra-hidropiridona), componente químico que mata os neurônios
dopaminérgicos. A MPTP é transformada em MPP + (1-metil-4-fenilpiridinium), e as células
dopaminérgicas confundem MPP + com dopamina, acumulando seletivamente esta
substância. O problema é que, dentro da célula, a MPP+ bloqueia a produção de energia
pelas mitocôndrias e a célula acaba morrendo. Com isso, desenvolveu-se o raciocínio de
que a exposição crônica a algum produto químico tóxico pode levar ao desenvolvimento de
formas comuns da doença de Parkinson. A MPTP pode induzir uma forma de morte
neuronal programada na substância negra.
Existem duas categorias de tratamento da doença de Parkinson, uma voltada para o
controle das manifestações clínicas (terapia sintossomática) e outra, que tem como objetivo
proteger ou restaurar a função de neurônios (terapia neuroprotetora). A terapia sintomática
utiliza principalmente intervenções farmacológicas, mas inclui também cirurgias
estereotáxicas. Já a terapia neuroprotetora utiliza meios farmacológicos e também implantes
neurais e fatores de crescimento.
Uma das principais drogas administradas no tratamento da doença de Parkinson é a
levodopa (L-di-hidroxifenil-alanina), precursora de dopamina, que atravessa a barreira
hematoencefálica, e estimula a síntese de dopamina nas células ainda vivas da substância
negra. Contudo, o tratamento com a levodopa não altera o curso da doença nem o ritmo de
degeneração dos neurônios. Ainda temos como fármacos utilizados a selegina, tolcapone e
entacapone (bloqueadores da degradação de dopamina), agonistas dopaminérgicos
(bromocriptina, lisurida, pergolida, apomorfina, sabergolina, ropinirol, pramipexol),
anticolinérgicos e amantadina (bloqueador da recaptação de dopamina). Usam-se também
inibidores periféricos da dopa-descaboxilase (carbidopa e benzerazida) para evitar que a
dopamina seja dissipada antes de chegar ao Sistema Nervoso Central; em contrapartida,
estes inibidores causam efeitos colaterais que devem ser levados em conta, como náusea,
vômito, hipotensão postural, arritmia cardíaca. Já os inibidores da MAO (monoaminaoxidase)
tipo B, iclusive a seleginina, ativam mecanismos antioxidantes e antiapoptóticos.
Por fim, também são utilizados antagonistas do glutamato. Contudo, alguns destes
medicamentos ainda não têm efeito comprovado e nenhum é capaz de estancar ou regredir
a doença.
251

V Curso de Inverno
Usando informações relativas às vias neuronais e neuroplasticidade, novas técnicas
estão sendo desenvolvidas para o tratamento de distúrbios neurológicos. A estimulação
encefálica profunda, transplantes (implantes) neuronais e cirurgias estereotáxicas vêm
sendo empregados no tratamento de tremores e acinesia, presentes em distúrbios dos
núcleos da base que envolvam deficiência de dopamina.
A estimulação cerebral profunda usa estímulo de alta freqüência nos neurônios
talâmicos para tratar o tremor da doença de Parkinson. Através de uma estimulação elétrica
prolongada, inibe-se a descarga de um conjunto hiperativo de neurônios. A estimulação é
modulada e direcionada por gerador - implantado na tela subcutânea na região torácica -
que responde a estímulos externos. Apesar de suas vantagens, como a reversibilidade do
procedimento, a estimulação tem alto custo, requer ajustes periódicos e tem risco de
infectar.
O transplante neuronal consiste em colocação de células produtoras de dopamina de
um doador fetal, nos núcleos da base. Já o implante envolve a relocação de células suprarenais
da própria pessoa, nos núcleos da base, para que sintetizem dopamina.
Para alguns casos graves de tremor e acinesia, centros especializados em cirurgia
estereotáxica destroem uma pequena região de células talâmicas ou do globo pálido,
acarretando em melhoras funcionais ao eliminar populações celulares hiperativas. Entre as
cirurgias irreversíveis mais utilizadas estão a talamotomia, a palidotomia e a estimulação do
núcleo subtalâmico. A talamotomia interfere no núcleo intermédio ventral do tálamo e é a
mais eficiente para o controle do tremor. Contudo, seus efeitos sobre os mecanismos
geradores do tremor ainda não foram esclarecidos (sugere-se que esteja ligado à redução
da atividade autônoma no tálamo e à interrupção das vias palidofugal e contralateral do
cerebelo). Este procedimento não é recomendado bilateralmente pois, além da disartria que
provoca em aproximadamente 25% dos casos, coloca em risco de alterações mentais
persistentes. Se for preciso intervir bilateralmente, utiliza-se a estimulação cerebral profunda
em pelo menos um lado.
A palidotomia é eficaz para o tremor e também para alívio de outros componentes,
como a oligocinesia, rigidez e discinesias. O alvo da cirurgia é a porção sensório-motora do
globo pálido interno. A indicação geralmente é feita para pacientes com quadros avançados
da doença e com complicações motoras causadas por fármacos agonistas dopaminérgicos.
Seus riscos são os mesmos da talamotomia e podem ocorrer aumento de peso e leve
distúrbio comportamental.
A intervenção sobre o núcleo subtalâmico tem maior abrangência e possibilita
melhoras de manifestações axiais da doença, relacionadas com suas eferências
glutamatérgicas direcionadas ao pálido interno e à substância negra reticulata, que se
conectam ao núcleo pedúnculopontino.
Os procedimentos cirúrgicos são feitos preferencialmente em pacientes sem
alterações cognitivas ou naqueles com mais de cinco anos de evolução da doença. Não há
252

Neurofisiopatologia
limite de idade para indicação cirúrgica.
6.5. Esclerose múltipla
A esclerose múltipla decorre do processo de desmielinização central e parece ser
causada por doença auto-imune, na qual a mielina é atacada por anticorpos do próprio
indivíduo. A destruição de oligodendrócitos gera áreas de desmielinização (placas) na
substância branca do sistema nervoso central, causando lentificação ou bloqueio da
transmissão de sinais. É uma doença sem cura, sem meios de prevenção e etiologia
desconhecida. Ocorrem alterações reflexas, como transtornos da bexiga, impotência sexual
em homens e anestesia genital em mulheres, fraqueza muscular, distúrbios de coordenação,
alterações da visão e da movimentação ocular além de distúrbios da sensação, como
formigamentos, dormências e sensações de agulhadas e fala arrastada. Pode haver
alterações de memória e emoções (Bear et al, 2002; Levy e Oliveira, 2003; Lundy-Eckman,
2004; Nitrini e Bacheschi, 2003).
A Esclerose Múltipla pode ser compreendida como uma patologia imunológica
associada a fatores genéticos que predisporiam ou não ao desenvolvimento do quadro,
diante de outros aspectos facilitadores, como alimentação, fatores ambientais, agentes
infecciosos e outros. Em regiões de clima frio e temperado, o risco de contrair a doença é
maior do que nos trópicos; locais de latitude maior que 30º têm maior prevalência que locais
com mais baixa latitude.
A desmielinização provoca transtornos relativamente permanentes. Geralmente ocorre
entre os 20 e os 40 anos, mais em mulheres que em homens (3:1) e evolui por anos,
embora possa ter períodos de remissão. Cerca de 74% das lesões estão na substância
branca, 17% na junção entre o córtex e a substância branca , 5% no córtex e 4% na
substância cinzenta. Quando as degenerações estão presentes no corpo caloso podem
produzir uma série de alterações cognitivas, entre elas o prejuízo em tarefas que exijam
atenção sustentada e vigilância (sinais de desconexão interhemisférica). Porém, buscar um
padrão único para a natureza do déficit de memória na Esclerose Múltipla parece difícil, pois
a doença lesa áreas inespecíficas, altera diversos sistemas e funções, além de
comprometer diferentes vias, moduladas por diferentes neurotransmissores.
É recomendado aos pacientes que evitem altas temperaturas e esforços físicos
excessivos, pois aumentos na temperatura corporal são considerados nocivos aos axônios,
dificultando ainda mais a condução do potencial de ação.
A Esclerose Múltipla pode ser aguda, subaguda ou crônica, com períodos de
exacerbação e remissão. A consciência permanece normal e, raras vezes, o pensamento e
a memória são afetados.
Embora a causa exata desta doença ainda não seja bem conhecida, a causa dos
distúrbios sensoriais e motores está bastante clara. As bainhas de mielina dos feixes de
axônios do encéfalo, medula espinal e nervos ópticos são lesados, em muitos lugares do
253

V Curso de Inverno
sistema nervoso ao mesmo tempo.
As lesões encefálicas causadas pela Esclerose Múltipla podem ser visualizadas
através da Ressonância Magnética. Além disso, o líquor mostra aumento de imunoglobilinas
e bandas oligoclonais. Contudo, o diagnóstico é elaborado principalmente com base na
história clínica.
Esclerose múltipla - Estudos recentes
O fumo é um dos fatores considerados como risco para a Esclerose Múltipla. Os
fumantes têm de 40 a 80% a mais de chance de desenvolver a doença que os não
fumantes. Além disso, quando já existe diagnóstico de Esclerose Múltipla, pacientes
fumantes têm cerca de três vezes mais risco de progredir para as formas mais graves da
doença. A justificativa parece ser os radicais livres produzidos pelo fumo, que causam danos
neuronais. Em indivíduos que já possuem mecanismo de lesão, este quadro pode ser
potencializado.
Existe, atualmente, estudo com Imagem do Tensor de Difusão e fascigrafia por
Ressonância Magnéticaβ, que permitem analisar a integridade dos feixes de substância
branca, o que fornece informações adicionais sobre a caracterização destes, em pacientes
com Esclerose Múltipla, o que não é possível com as técnicas convencionais de
Ressonância Magnética. A caracterização supracitada ainda está em fase de investigação e
estudo, mas é uma técnica promissora no que diz respeito ao diagnóstico da doença.
6.6. Esclerose Lateral Amiotrófica (ELA)
A Esclerose Lateral Amiotrófica é uma doença progressiva limitada ao sistema motor
voluntário, que destrói apenas os tratos ativadores laterais e as células do corno anterior da
medula espinal (neurônio motor superior no cérebro, tronco encefálico e medula, neurônio
motor inferior nas regiões medulares espinal e periférica), núcleos motores do tronco
encefálico e córtex motor, causando sinais dos neurônios motores superior e inferior.
A etiologia da doença ainda não foi esclarecida, e não existe, portanto, método
laboratorial para o diagnóstico. Os exames feitos são apenas para exclusão de outras
patologias, e o diagnóstico é feito baseando-se em achados clínicos, o que não permite
prevenir a ocorrência da doença. Contudo, alguns exames podem auxiliar o diagnóstico,
identificando algumas características histopatológicas (presença intraneuronal de ubiquitina,
gliose reacional, alterações morfológicas de motoneurônios, neurônios atróficos com núcleo
picnótico e presença de esferóides axonais).
Os músculos são inervados por neurônios motores do corno ventral da medula espinal,
ou neurônios motores inferiores, que comandam a contração e podem ser alfa ou gama. O
motoneurônio alfa libera acetilcolina, que age em receptores nicotínicos da junção
neuromuscular e produz potencial excitatório pós-sináptico e que gera abertura de canais de
Na + voltagem-dependentes promovendo a despolarização dos túbulos T e a liberação de
254

Neurofisiopatologia
Ca 2+ do retículo sarcoplasmático, que culmina em contração muscular. O cálcio liga-se à
troponina e esta expõe, na actina, os sítios de ligação para a miosina. A cabeça da miosina
se conecta à actina e sofre rotação. Com ATP, as miosinas se desligam das actinas e o
cálcio é recaptado para o retículo sarcoplasmático por ATPases. A actina é novamente
coberta por troponina. Na Esclerose Lateral Amiotrófica, este mecanismo é afetado
progressivamente e resulta em ausência de contração muscular.
Os primeiros sinais são fraqueza e atrofia muscular. Geralmente, entre três e cinco
anos todo o movimento voluntário é perdido – a capacidade de andar, falar, deglutir e
respirar são lentamente perdidas. O quadro é caracterizado por paresia, hiper-rigidez
mioplástica, hiper-reflexia, sinal de Babinski, atrofia muscular, fasciculações por atrofia e
fibrilações. No indivíduo acometido, a consciência permanece normal, assim como a
comunicação e a memória, o sistema sensorial e autônomo. A morte do indivíduo decorre de
complicações respiratórias (Bear et al, 2002; Calia e Annes, 2003; Lundy-Eckman, 2004;
Nitrini e Bacheschi, 2003).
Esta é uma doença relativamente rara, apesar de ser a mais comum das doenças do
neurônio motor em adultos, e sua causa é desconhecida.
Por volta de 90% dos casos são idiopáticos, embora uma das formas da ELA, a forma
familiar, já tenha o gene responsável identificado (mutação da enzima superóxido
dismutase). Neste subtipo da doença, um produto tóxico do metabolismo celular é a
molécula negativamente carregada de oxigênio (radical superóxido), a qual é extremamente
reativa e pode provocar danos celulares irreversíveis. A superóxido dismutase é uma enzima
essencial para que os radicais superóxido percam seus elétrons extras, convertendo a
molécula novamente em oxigênio. A ausência desta enzima leva ao acúmulo de radicais
superóxido, lesando as células.
Existe a hipótese de que a ELA seja causada por excitotoxicidade do glutamato e
aminoácidos relacionados, o que causa morte neuronal. Além disso, sugere-se que um
transportador de glutamato pode estar defeituoso, provocando exposição prolongada dos
neurônios em atividade ao glutamato extracelular.
A primeira droga aprovada para o tratamento da ELA foi o riluzole, um bloqueador da
liberação de glutamato. Porém, apesar de seu uso retardar em alguns meses a progressão
da doença, a longo prazo o desenvolvimento do quadro continua igual.
Esclerose Lateral Amiotrófica – estudos recentes
Estudos com antibióticos ß-lactâmicos em modelos animais da doença sugerem que
esses fármacos atuariam auxiliando a neuroproteção, uma vez que foi observada, após
administração da droga, maior produção de fatores neuroprotetores no Sistema Nervoso
Central. O mecanismo parece estar associado principalmente à excitotoxicidade do
glutamato, pois os antibióticos utilizados induzem aumento na produção das moléculas
transportadoras que recolhem o excesso deste neurotransmissor no Sistema Nervoso
Central. Esta alternativa reduz o risco de danos aos neurônios, causados pelo excesso de
255

V Curso de Inverno
glutamato.
Também foi sugerido que os radicais livres seriam responsáveis por lesões na
Esclerose Lateral Amiotrófica. Contudo, estudos recentes em modelos animais propõem que
a presença de radicais livres é, na verdade, conseqüência e não causa da lesão. Foi feita
terapia com antioxidantes e não houve resultado satisfatório, permitindo supor que, então,
os radicais livres não eram a causa da doença.
Outra alternativa pesquisada para a Esclerose Lateral Amiotrófica são as substâncias
antinflamatórias, pois foram evidenciados processos inflamatórios no desenvolvimento da
doença. A excitotoxicidade do glutamato e a ação de radicais livres, no Sistema Nervoso
Central, são importantes mecanismos neurodegenerativos. A inflamação pode contribuir no
processo de degeneração, junto com estes dois outros fatores. Foi observada a presença de
níveis aumentados de prostaglandinas em cérebros de indivíduos acometidos pela
patologia. Sabe-se que as prostaglandinas são pró-inflamatórias. Estudos experimentais em
modelos animais com camundongos geneticamente modificados para desenvolver a doença
observaram que o uso de antinflamatórios estava envolvido no retardo do quadro – maior
sobrevida, melhor resposta motora e menor perda de massa muscular. A identificação de
maiores quantidades de fosfolipase A2 em camundongos com Esclerose Lateral Amiotrófica
sugere que esta enzima tenha importância significativa no desenvolvimento da doença. O
aumento da fosfolipase A2 antecede a lesão neuronal e a conseqüente perda motora, em
camundongos. Se realmente esta enzima for fundamental para o surgimento da doença,
então o tratamento à base de sulindaco, substância antinflamatória utilizada nos
camundongos, pode ser efetivo para retardar o desenvolvimento do quadro clínico.
Atualmente, amostras de sangue de indivíduos acometidos pela Esclerose Lateral
Amiotrófica estão sendo estudadas por eletroforese bidimensional e Western Blotting. Estes
estudos fornecerão informações sobre a composição das proteínas das amostras
analisadas, e poderão contribuir para o desenvolvimento de marcadores que auxiliem o
diagnóstico da doença.
6.7. Doença de Huntington
A doença de Huntington é uma doença hereditária autossômica dominante,
progressiva, cujo início se dá entre os 40 e os 50 anos, e que leva à morte em
aproximadamente 15 anos após o aparecimento dos sintomas. Provoca degeneração em
muitas áreas cerebrais, principalmente no estriado e córtex cerebral, o que gera diminuição
de sinais por inibição direta e excessiva do globo pálido interno e da substância negra
reticular (núcleos estimuladores) pelo putâmen, e leva à desinibição do tálamo motor e do
núcleo pedúnculopontino. Esta desinibição é inadequada, produzindo estimulação excessiva
tanto do tálamo motor quanto do núcleo pedúnculopontino, causando hipercinesias (Barbosa
et al, 2003; Bear et al, 2002; Lundy-Eckman, 2004; Nitrini e Bacheschi, 2003).
É causada pela mutação dominante de um gene que codifica proteína de alto peso
256

Neurofisiopatologia
molecular chamada huntintina, no cromossomo 4, prolongando-a mais que o normal. Estas
proteínas mutantes se agregam e desencadeiam a degeneração neuronal. Não se conhece
ainda a função da huntintina normal, mas é possível que sirva para contrabalançar os
gatilhos de morte celular programada. Observou-se acúmulo de huntintina no encéfalo de
indivíduos com a doença de Huntington e concluiu-se que a proteína induz degeneração
neuronal, provavelmente por mecanismo de apoptose.
Observou-se também que a injeção de agonistas NMDA no estriado de ratos
desencadeava perda celular semelhante à da doença de Huntington, levando à hipótese de
que o gene alterado do cromossomo 4 produz alteração que desencadeia a ativação
excessiva dos receptores NMDA ou a liberação excessiva de glutamato.
Além de hipercinesia (movimentos involuntários anormais, rápidos e espasmódicos,
mas relativamente coordenados dos membros, tronco, cabeça e face) - no caso a coréia - a
doença de Huntington é caracterizada por demência e transtorno de personalidade.
É uma síndrome inevitavelmente letal, cujos sintomas aparecem apenas na idade
adulta, quando o indivíduo provavelmente já teve filhos e transmitiu os genes da doença.
Pacientes com a doença de Huntington apresentam dificuldade no aprendizado de
tarefas nas quais a resposta motora vem associada a um estímulo. Porém apesar de os
indivíduos acometidos geralmente apresentarem disfunções motoras, estas não condizem
com a severidade dos déficits cerebrais, sugerindo que essa deficiência seja uma
conseqüência da doença. Esta constatação sugere que as doenças que atingem os núcleos
da base afetam a memória de procedimentos, vinculada ao estriado – um dos focos de
ataque da doença de Huntington.
6.8. Doença de Alzheimer
A doença de Alzheimer causa degeneração mental progressiva, o que gera perda de
memória, confusão e desorientação do indivíduo acometido. Os sintomas começam a se
tornar aparentes geralmente após os sessenta anos, e a expectativa de vida costuma ser de
5 a 10 anos após o diagnóstico.
O começo do quadro é caracterizado por sinais de esquecimento, que progridem para
incapacidade de lembrar palavras, de produzir e mesmo compreender a linguagem. No
estágio mais avançado da doença, o paciente negligencia o uso de roupas, a aparência e a
alimentação. Além disso, o indivíduo apresenta cegueira de movimento, ou a incapacidade
de interpretar o fluxo de informação visual – incapacidade de interpretar a direção do
movimento de objetos em seu campo visual. Esta incapacidade interfere no uso da
informação visual para o auto-movimento, e poderia explicar a tendência para divagação e
perda, comuns nos doentes de Alzheimer.
As alterações celulares incluem aglomerados neurofibrilares (massas aglomeradas de
neurofibrilas; acúmulo de proteína tau que sofre processo de hiperfosforilação e lesa
células), placas senis (lesões extracelulares formadas por cúmulo central de proteína
257

V Curso de Inverno
amilóide envolta por axônios e dendritos degenerados, e restos de células gliais) e atrofia
grave do córtex cerebral, da amígdala e do hipocampo.
A função das células do complexo prosencefálico basal ainda é desconhecida, mas
sabe-se que é um dos primeiros grupos celulares a morrer durante a evolução da doença de
Alzheimer. Esta área tem sido associada às funções cognitivas, e podem ter papel essencial
no aprendizado e na formação da memória.
Estima-se que 1,3% das pessoas entre 65 e 74 anos e 4% das pessoas entre 75 e 84
anos sejam acometidas pela doença de Alzheimer. Além disso, as pessoas com trissomia do
21 apresentam quadro de alterações celulares semelhantes às do Alzheimer por volta dos
40 anos, e os indivíduos acometidos pela doença de Alzheimer têm algumas células
geneticamente normais e outras com trissomia do 21.
Grande progresso na biologia molecular permite hoje identificar o gene para a proteína
precursora amilóide (PPA), presente no cromossomo 21. Assim, pessoas com síndrome de
Down são mais vulneráveis à doença de Alzheimer, pois têm um cromossomo 21 a mais.
Apesar disso, não é claro como a mutação do gene causa a doença nem mesmo qual a
função da PPA normal no cérebro.
Sugere-se que a PPA normal estimule a proliferação de neurônios e reforce os efeitos
dos fatores de crescimento nervoso, enquanto que a PPA mutante cause morte do neurônio.
Os casos precoces de doença de Alzheimer (entre 28 e 60 anos) foram ligados à
presença dos genes presenilina 1 (PS1), encontrado no cromossomo 14, e presenilina 2
(PS2) nos cromossomos 14 e 1. Quarenta mutações diferentes do PS1 foram ligadas ao
começo precoce da doença, enquanto apenas duas do PS2 foram identificadas como causa
desta precocidade. Todas estas mutações aumentam a produção e o depósito amilóide e
podem levar um gene PPA normal a produzir proteína amilóide mutagênica.
Outra proteína que parece estar ligada à maioria dos casos de Alzheimer é a
apolipoproteína ε (Apoε), reguladora do metabolismo de gordura, cujo gene encontra-se no
cromossomo 19 e possui diversos alelos. O alelo ε4, mesmo homozigoto, traz um risco
muito maior para a doença de Alzheimer, além de estar associado com a má recuperação de
danos encefálicos e de influenciar os depósitos amilóides.
A Apoε formada liga-se à proteína tau, que faz parte dos emaranhados neurofibrilares,
permitindo que se hipotetize que a proteína tau produza os emaranhados e,
conseqüentemente, a morte dos neurônios.
As pesquisas sobre doença de Alzheimer também enfocam os sistemas de
neurotransmissores, apontando a redução da enzima colina acetiltransferase, responsável
pela síntese de acetilcolina, nos portadores da doença. Os receptores 5-HT2A, NMDA e
AMPA também estão diminuídos. Além disso, os receptores muscarínicos estão
aumentados, possivelmente representando regulação para cima, conseqüente da
diminuição da atividade da acetilcolina. Alguns medicamentos que reforçam a função da
258

Neurofisiopatologia
acetilcolina são efetivos na melhora da cognição, ainda que em pequena escala, mas não
são capazes de alterar o curso de longo prazo da doença (Bear et al, 2002).
É de fundamental importância que se descubra os mecanismos genéticos da doença
de Alzheimer, para que se possa desenvolver drogas capazes de evitar a formação dos
emaranhados neurofibrilares e dos depósitos amilóides.
A excitotoxicidade também tem sido implicada como causa da doença de Alzheimer.
Ainda não há exames específicos para detectar a doença, mas existem exames como
a ressonância magnética para medir o hipocampo e a determinação da concentração de
proteína tau, além das proteínas amilóides no líquido cerebroespinal, que são técnicas
promissoras. Também não existe tratamento efetivo específico nem preventivo para a
doença de Alzheimer. O que se faz atualmente é inibir a enzima acetilcolinesterase, para
que não destrua a acetilcolina na fenda sináptica, pois se observou que nesta patologia
ocorre redução na concentração de acetilcolina em núcleos subcorticais específicos,
considerada responsável por parte da alteração encontrada no quadro clínico.
São utilizados hoje a rivastigmina, a galantamina e o donepezil, principalmente em
casos leves e moderados (apesar de ter sido observada alguma melhora nos quadros mais
avançados). Além destas, a vitamina E em doses altas também parece retardar o quadro
demencial. Os transtornos de humor podem precisar de tratamento específico e são usados
preferencialmente os antidepressivos com menor ação anticolinérgica e neurolépticos
atípicos.
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Revisado por Merari de Fárima Ramires Ferrari, Leandro Cortini Calia, Margareth Rose Priel
260

Fisiologia do Comportamento
Capítulo 6
Fisiologia do Comportamento
Autores:
André Maia Chagas
Claudia Franco de Olim Marote
Pedro Leite Ribeiro
Renata Pereira Lima
Rodrigo Pavão
Wataru Sumi
263

264
V Curso de Inverno

Fisiologia do Comportamento
Fisiologia do comportamento
Wataru Sumi
Laboratório de Neurociências e Comportamento
wataru_sumi@yahoo.com.br
Alguns organismos unicelulares como a Escherichia coli apresentam um
comportamento relativamente complexo. Eles são capazes de detectar estímulos do
ambiente por meio de dezenas de receptores, armazenar essas informações por um curto
período de tempo, integrar a informação recebida de diferentes “canais sensoriais” e
controlar o comportamento em função das informações recebidas (Allman, 1998).
Organismos pluricelulares sem sistemas nervosos, também integram a resposta aos
estímulos ambientais; porém, a informação recebida em uma célula sensível à estimulação
ambiental, o receptor, é transmitida para outra, que tem a função de controlar a resposta, o
efetor. A integração dessa resposta é possível, graças a um sistema de condução nãonervoso,
envolvendo células epiteliais conectadas por pontes citoplasmáticas, capazes de
conduzir alterações eletrofisiológicas. Esse tipo de condução, embora relativamente lento,
afeta grande número de células, tornando o sistema energeticamente dispendioso. O
surgimento de células especializadas em conduzir impulsos elétricos facilitou imensamente
a condução e integração de informações, facilitando o controle das influências da atividade
dos receptores sobre os efetores (Romero, 2000). As características básicas dessas células
especializadas, os neurônios, são praticamente as mesmas em todos os grupos de animais.
As diferenças comportamentais entre diferentes grupos de animais se devem basicamente
ao número de neurônios e às interconexões, formadas pelas sinapses, existentes entre elas
(Kandel, 1991).
Os sistemas nervosos mais simples são capazes de produzir comportamentos em
geral estereotipados e relativamente pouco flexíveis, relacionados com alimentação,
locomoção e proteção. A capacidade de modular a resposta nesses animais se deve
basicamente às propriedades de funcionamento das sinapses. Nesses pontos de
comunicação entre dois neurônios, a informação nem sempre é transmitida por ação única
de um neurônio pré-sináptico. Assim, para excitar o neurônio pós-sináptico, é necessário
que a intensidade do estímulo seja suficientemente forte. Isso pode ocorrer quando diversos
impulsos nervosos atingem a mesma sinapse, e a somação torna o estímulo forte o
suficiente para despolarizar a célula pós-sináptica (Schmidt-Nielsen, 1996). Esse tipo de
controle do sinal pela somação sináptica pode ser observado no comportamento de
proteção do disco oral e tentáculos em anêmonas-do-mar; quando esses animais recebem
mais de um estímulo em um curto intervalo de tempo, contraem os músculos do disco oral,
protegendo assim os tentáculos (Dethier & Stellar, 1973).
Desde muito cedo na história evolutiva do sistema nervoso, houve uma tendência à
divisão do trabalho realizado pelos neurônios. Essa divisão parece ter ocorrido na
265

V Curso de Inverno
separação das funções receptora, condutora e efetora, decorrentes da especialização das
células nervosas (Romero, 2000). Os neurônios especializados em conduzir informações
recebidas de neurônios receptores, foram denominados interneurônios. O surgimento de
interneurônios possibilitou a ocorrência de divergência e convergência no processamento de
informações, aumentando a capacidade do sistema em modular o fluxo de informações. Em
outras palavras, interneurônios permitem ao sistema funcionar como interruptores, excitando
ou inibindo a atividade de outros neurônios, além de serem capazes de atuar como marca
passo, gerando os próprios impulsos nervosos que estimulam outras células (Zigmond et al.,
1999).
Sistemas nervosos com muitos interneurônios podem modular a sensibilidade do
neurônio pós-sináptico de acordo com uma diversidade de fatores, incluindo suas
necessidades, facultanto maior processamento da informação recebida, o que torna a
resposta muito mais flexível e complexa. Assim, o comportamento tornou-se mais elaborado.
Talvez, um dos exemplos mais simples da importância dessa integração envolva a inibição
de neurônios relacionada ao mecanismo de controle de músculos antagônicos. Quando os
músculos são arranjados dessa forma, a contração simultânea de ambos os músculos se
cancelam, gerando um efeito; alternativamente, pode-se evitar a contração concomitante
dos músculos antagônicos, por meio de um sistema de interneurônios que inibe a atividade
de um neurônio efetor quando o seu par antagônico é acionado, o que aumenta a
diversidade de respostas possíveis (Manning & Dawkins, 1998).
Outra característica de sistemas nervosos com muito interneurônios, presente mesmo
em organismos considerados primitivos, é a segregação ou agrupamento de unidades
semelhantes, observada claramente no processo de centralização do sistema nervoso que,
conduziu mais tarde, ao desenvolvimento de um centro integrador do comportamento
(Romero, 2000). A centralização do sistema nervoso, ou seja, a agregação das células
nervosas que antes ficavam dispersas pelo corpo do animal, ocorreu na grande maioria dos
animais; enquanto nos animais de simetria radial essa centralização envolveu a formação de
anéis nervosos, nos animais de simetria bilateral ela envolveu uma cefalização, i.e., a
concentração de tecido nervoso na porção anterior do organismo.
Durante esse processo houve uma tendência à segregação entre os elementos
condutores (i.e. axônios) e os elementos integradores, incluindo os corpos celulares,
concentrados em massas localizadas nos assim chamados gânglios. Os gânglios
correspondem a regiões do sistema nervoso onde há agrupamentos de corpos celulares
(Dethier & Stellar, 1973). O surgimento desses pontos estratégicos de integração de
informação permitiu melhorar substancialmente o processamento de informações,
aumentando o poder de controle do comportamento; a ação dos neurônios moduladores da
resposta tornou-se facilitada e possibilitou maior integração da informação ambiental
recebida de diferentes modalidades sensoriais. Em sistemas nervosos bem mais complexos,
houve o desenvolvimento de mecanismos responsáveis pela modulação do processamento
266

Fisiologia do Comportamento
das informações recebidas do ambiente em função de experiências anteriores, ou seja, um
processamento atencional (ver Helene e Xavier, 2003). Sabe-se que a atenção é importante
não apenas no processamento de informação sensorial, mas também na programação de
ações motoras, estando ainda envolvida na função de planejamento (Gawryszewski et al.
2007).
Depreende-se dos exemplares existentes presentemente que inicialmente os animais
possuíam diversos gânglios espalhados pelo corpo, cada qual funcionando de forma
relativamente independente dos demais. Com o surgimento de um centro de controle
superior, a integração da atividade desses gânglios passou a ser melhor integrada (Dethier
& Stellar, 1973).
Ao longo desse processo, surgiram instintos, definidos como um padrão de
comportamentos estereotipados que aparecem em sua forma plenamente funcional desde a
primeira vez que são executados, mesmo que o animal não tenha experiência prévia ao
estimulo eliciador do comportamento. A rede neural responsável pela detecção do estímulo
e ativação do programa motor é denominada mecanismo de liberação inato (Alcock, 2005).
Esse tipo de comportamento aparece de forma bastante complexa nos gastrópodes. Por
exemplo, o caracol Helix apresenta um comportamento de corte complicado, no qual os
indivíduos se aproximam, evertem suas áreas genitais e lançam dardos calcários,
penetrando nos órgãos internos do parceiro e promovendo a fecundação (Dethier & Stellar,
1973). Note-se, porém, que muitos instintos podem ser aprimorados pela interação do
organismo com o ambiente.
A concentração de sistemas sensoriais na porção anterior de animais de simetria
bilateral, associados ao formato do corpo e do sentido de locomoção, contribuiu para que os
gânglios da extremidade anterior, por isso denominados cerebrais, se desenvolvessem de
forma mais proeminente que os demais; ao mesmo tempo, esses gânglios assumiram o
papel de centros-mestres de controle. O aumento gradativo de tamanho decorrente da
concentração de neurônios nessa região e a importância hierárquica dos gânglios cerebrais
é denominado cefalização. Nesse processo, os outros centros tornaram-se subordinas a ele,
ou desapareceram (Dethier & Stellar, 1973). Isso possibilitou a diversificação do repertorio
comportamental, além de tornar os padrões motores fixos muito mais complexos, pois foi
possível exibir uma quantidade de movimentos coordenados em resposta a estímulos
relativamente simples. O movimento de cópula, que envolve a coordenação de vários
músculos, pode ser desencadeado por estímulos simples como a cor da fêmea. Isso fica
evidente quando um animal, nesse caso em besouro australiano, tenta copular com
qualquer objeto que tenha a mesma cor da fêmea da espécie (Alcock, 2005).
A história evolutiva do sistema nervoso em vertebrados segue linha similar; i.e.,
surgiram novas estruturas relacionadas ao processamento de informações oriundas dos
sistemas sensoriais e de controle. Se por um lado, o comportamento tornou-se ainda mais
complexo, por outro, muitos mecanismos se mantiveram. Um comportamento parecido com
267

V Curso de Inverno
o exibido pelo besouro australiano é observado em filhotes gaivota. Quando os filhotes
estão com fome, eles bicam a ponta do bico dos pais, para que eles regurgitem alimento
meio digerido. O sinal que desencadeia a resposta de bicar no filhote não é
necessariamente a presença dos pais, ou de nenhuma outra gaivota, mas sim um bico
amarelo com uma bolinha vermelha. Se colocarmos um palito amarelo com listras
vermelhas na ponta, a resposta de bicar do filhote será tão intensa quanto à resposta dada
na presença de um dos pais (Alcock, 2005).
Ao longo da evolução, à medida que o sistema nervoso se tornava mais e mais
complexo, os padrões de resposta automáticos foram dando espaço para o comportamento
plástico, ou seja, a capacidade de modificar o comportamento em vista das experiências
passadas foi se aprimorando. Acredita-se que as atividades eletrofisiológicos gerada pelos
estímulos ambientais, ou mesmo pelo próprio organismo, alterem a conectividade entre as
células nervosas, alterando a transmissão de impulsos elétricos pela rede neural, formando
assim, as memórias (Helene & Xavier, 2007). Essa habilidade é uma propriedade básica de
todos os organismos que possuem um sistema nervoso e está presente inclusive em
organismos unicelulares; neste último caso, ela se manifesta sob a forma de
condicionamento clássico (ou Pavloviano). Sabe-se, por exemplo, que as minhocas são
capazes de aprender a se dirigir para um braço de um labirinto em T, onde encontram uma
câmara escura e úmida, evitando outro braço, onde eles receberiam um choque elétrico e
são expostos a uma solução irritante (Dethier & Stellar, 1973); foi necessária uma média de
200 tentativas para se atingir 90% de acertos. Portanto, embora lenta, a aquisição ocorre
sendo, portanto, adaptativa.
Resumidamente, o surgimento do sistema nervoso possibilitou melhor detecção e
reação a estímulos ambientais. Além disso, o aumento de sua complexidade contribuiu para
um aumento do repertório comportamental dos animais, decorrentes da aquisição e
desenvolvimento de novas habilidades. Nos capítulos seguintes, veremos de forma mais
detalhada como ocorre o processamento sensorial, como se deu a integração neural, o
mecanismo neural da atenção e memória, além de entender como se dá a seleção natural
das características comportamentais.
Referências Bibliográficas
Alcock J (2005). Animal Behavior: An Evolutionary Approach (8th edition). Sinauer Associates, Inc.,
Sunderland, Mass.
Allman JM (1998). Evolving Brains. Scientific American Library- W. H. Freeman, first edition, New
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Blücher.
Gawryszewski LG, Ferreira FM. Guimarães-Silva S(2007); Atenção! Em: Intersecções entre psicologia
e neurociências. (Landeira-Fernandez J & Silva MTA) Ed. Medbook, Rio de Janeiro (cap 6,
268

Fisiologia do Comportamento
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Helene AF, Xavier GF (2007); Memória e (a elaboração da) percepção, imaginação inconsciente e
consciente. Em: Intersecções entre psicologia e neurociências. (Landeira-Fernandez J & Silva
MTA) Ed. Medbook, Rio de Janeiro (cap 6, pp83-101).
Kandel ER (1991). Nerve Cells and Behaviour. In Kandel ER, Schwartz JH & Jessel TM (Eds.),
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Schmidt-Nielsen K (1996). Fisiologia animal-adaptação e meio ambiente. 5.ed. São Paulo: Santos.
Swanson LW (1999) Organization of Nervous Systems. In Fundamental Neuroscience (Zigmond MJ et
al., eds)
Revisado por Gilberto Xavier
269

V Curso de Inverno
Sensação e percepção
André Maia Chagas e Renata Pereira Lima
Laboratório de Neurociências e Comportamento
andremaia.chagas@gmail.com renata.plim@gmail.com
Se analisarmos os seres vivos, perceberemos que apresentam pelo menos algum tipo
de sistema que os permite trocar informações com o ambiente que os circundam. Seja uma
planta, que é capaz de sentir situações de estresse hídrico e fechar seus estômatos, seja
uma bactéria que é capaz de sentir substâncias nocivas em seu meio e se afastar delas por
movimentação ativa, ou ainda nos exemplos aos quais estamos mais acostumados, um
beija flor que detecta flores em uma árvore e se aproxima da mesma em busca de alimento.
Mas o que possibilita essas ações? Utilizando o olhar científico, veremos que elas são
possibilitadas pela existência de estímulos físicos e químicos que chegam a todo tempo nos
seres vivos, que são captados por células especializadas capazes de transformar esses
estímulos em unidades de informação que possam ser utilizadas pelo organismo em
questão.
Como o objetivo desse módulo é de mostrar aspectos gerais do funcionamento do
sistema nervoso, limitaremos a discussão a animais que são dotados desse sistema.
Nesses animais, as células receptoras recebem os estímulos ambientais e os transformam
em estímulos elétricos, processo chamado transdução, que por sua vez são utilizados pelas
próximas células para a transmissão da informação ao longo do sistema nervoso. Essa
transformação dos estímulos ambientais é classificada pela neurociência como sensação e
é diferente entre as espécies, já que diferentes espécies possuem células receptoras
diferentes e sistemas nervosos com diferentes capacidades de processamento; o que faz
com que diferentes espécies experimentem o mundo de maneiras diferentes. Um som de
30.000 Hz que é inaudível para nós (somos capazes de perceber sons na faixa entre 20 e
20.000 Hz) é perfeitamente detectável por um morcego, um gato, um cachorro ou um rato,
por exemplo. Além das diferenças interespecíficas, também existem diferenças de sensação
intraespecíficas. Uma substância que é detectada como amarga por alguns indivíduos, é
considerada insípida por outros, e aqui podemos até supor um método de seleção e
evolução para os sistemas sensoriais, já que indivíduos que pudessem perceber a presença
de uma substância nociva em algum alimento poderiam ter mais chances de sobreviver num
ambiente onde tal característica apresenta-se necessária. As sensações podem ser
percebidas de formas diferentes ao longo da vida de um mesmo indivíduo, uma vez que a
percepção implica numa interpretação da sensação. Em outras palavras, a história de
experiências prévias de um indivíduo pode gerar diferenças fisiológicas nos mecanismos
que levam à interpretação de uma sensação, levando a percepções distintas. Ademais,
níveis de consciência, estados emocionais e estados psicológicos são capazes de interferir
na percepção de determinada sensação.
270

Fisiologia do Comportamento
As sensações são divididas em modalidades sensoriais (sentidos), dependendo do
tipo de estímulo ambiental, interno ou externo, do tipo de célula receptora envolvida com o
processo de transdução e do subsistema encefálico envolvido com o processamento dos
estímulos.
Tabela 1 – Algumas modalidades sensoriais (sentidos) e suas características principais.
Modalidade
Estímulo
Tipo de receptor
sensorial
VISÃO Luz Fotorreceptor
AUDIÇÃO Ondas mecânicas lineares Mecanorreceptor
PROPRIOCEPÇÃO Movimentos da cabeça e articulações,
Mecanorreceptor
estiramento e contração de músculos
TATO Estímulo mecânico Mecanorreceptor
TEMPERATURA Quantidade de calor Termorreceptor
DOR
Estímulos físicos ou químicos potencialmente Nociceptor
causadores de dano tecidual
PALADAR Substâncias químicas Quimiorreceptor
OLFATO Substâncias químicas voláteis Quimiorreceptor
INTEROCEPÇÃO
Pressão arterial, concentração plasmática
de substâncias (O2, CO2, glicose, H+, etc),
osmolaridade plasmática, temperatura central
Quimiorreceptor,
mecanorreceptor,
t e r m o r r e c e p t o r ,
osmorreceptor
As modalidades sensoriais por sua vez, são divididas em sub-modalidades, referentes
a características inerentes de cada sensação. Por exemplo, na visão existem cores, brilho,
forma e movimento, na audição existem timbres e tons além da possibilidade de localizar
espacialmente a fonte sonora.
Animais se utilizam continuamente de informações dos meios interno e externo, seja
durante a execução de um movimento, seja na regulação da temperatura corpórea, seja na
regulação da pressão arterial; ou seja, os sensores informam ao sistema nervoso, através
de receptores situados nas paredes das veias e artérias, qual a situação de estiramento das
mesmas e qual a pressão sob as quais trabalham, e também o grau de contração da
musculatura e a posição relativa dos membros, além do estado geral de equilíbrio do corpo,
entre outras coisas, de modo que o organismo possa reagir prontamente a qualquer nova
estimulação. Então, o sistema nervoso atua regulando, entre outras coisas a pressão do
sistema circulatório, o tônus muscular de modo a se manter o equilíbrio etc,
automaticamente, de modo que você sequer se dá conta de que toda essa regulação está
ocorrendo em seu organismo.
Depois de codificados, os estímulos ambientais passam a ser associados, no sistema
nervoso. Essa associação, nos seres humanos, é denominada percepção, e é utilizada por
nós o tempo todo, embora não nos demos conta disso. É a percepção que nos permite
saber se uma música é conhecida, se ela pertence a algum filme de nossa infância, e em
271

V Curso de Inverno
que situação havíamos assistido a tal filme. I.e., é papel do sistema visual codificar e
“montar” tanto os objetos quanto seus limites com o ambiente, e cabe a percepção a ligação
entre ver um rosto e reconhecê-lo como o rosto de um familiar, por exemplo. A visão
processa tudo que está em frente aos olhos, porém é a percepção que seleciona quais
estímulos serão tornados conscientes e colocados em primeiro plano para a integração com
outras informações. Se você está assistindo a um televisor colocado ao lado de uma janela,
o sistema visual processa o televisor, a imagem que ele transmite, a janela e tudo o que se
passa fora dela, porém é pela percepção que as coisas que ocorrem na janela são
ignoradas e passam desapercebidas.
Agora que temos uma idéia geral sobre o sistema sensorial e a percepção, vejamos o
substrato neurobiológico por trás dessas funções, tomando a visão como exemplo: A retina,
localizada na parte posterior do globo ocular, possui dois tipos principais de fotorreceptores
responsáveis pela transdução e processamento inicial da informação visual; os cones e os
bastonetes. Eles possuem diferenças na sensibilidade a diferentes comprimentos de onda e
na velocidade da resposta, sendo os bastonetes mais sensíveis a baixa intensidade
luminosa e, assim, a movimento, e os cones (3 subtipos) sensíveis de maneira seletiva para
determinada região do espectro de freqüências eletromagnéticas. Devido a esta
sensibilidade seletiva, muitas vezes os cones são denominados cones para “vermelho”,
“verde” e “azul”. Entretanto, parece mais apropriado o uso dos termos cone sensível a
comprimentos de onda longos (vermelho), médios (verde) e curtos (azul), respectivamente,
L, M e S (da sigla em inglês). É justamente essa sensibilidade a diferentes comprimentos de
onda, exibida pelos cones, que permite a elaboração de um processamento neural que
culminará com a percepção de cores, como será discutido mais adiante.
A presença de receptores diferentes e especializados faz com que haja uma
separação da informação assim que ela é captada na retina, a qual contém diferentes
classes de células ganglionares, onde começa o processamento paralelo de informação
apresentado pelo sistema nervoso. Os axônios das células ganglionares correm ao longo da
superfície interna da retina e juntam-se para formar o nervo óptico. Sinais representando
cores, movimento, forma e localização, por exemplo, são processadas simultaneamente em
diferentes regiões do encéfalo. Em mamíferos, o nervo óptico projeta-se primariamente ao
tálamo (particularmente o núcleo geniculado lateral), e daí para o córtex visual primário, no
lobo occipital (Figura 1).
Um dos tipos de células ganglionares denominado parvocelular (ou tipo P, por projetarse
para a porção parvocelular do núcleo geniculado lateral, NGL), de menor tamanho,
respondem por mais de 90% da população total de células ganglionares. Outro tipo,
composto por células ganglionares maiores, é denominado magnocelular (ou tipo M, por
projetar-se para a porção magnocelular do NGL), correspondendo, aproximadamente, a 8%
da população. O restante é composto por células que não se enquadram nesta definição e
por isso denominadas por alguns autores de células “não-M–não-P”. Esses diferentes
272

Fisiologia do Comportamento
conjuntos de células ganglionares transmitem diferentes tipos de informação visual para
diferentes regiões do NGL. As células ganglionares do tipo M projetam-se às camadas
magnocelulares do NGL (camadas 1 e 2, mais ventrais). Conduzem potenciais de ação com
maior velocidade e são mais sensíveis a estímulos de baixo contraste. Já as células P
alcançam as camadas parvocelulares do NGL (camadas 3, 4, 5 e 6, mais dorsais) sendo
mais lentas que as células M. Os neurônios pertencentes ao terceiro grupo de células
ganglionares da retina (células não-M–não-P) projetam-se para neurônios do NGL que se
intercalam entre as camadas magno e parvocelulares desse núcleo talâmico (essas
camadas intercaladas são também denominadas “koniocelulares”). Esses conjuntos de
camadas do NGL dão origem a três principais vias visuais, as vias magno, parvo e
koniocelulares, que por sua vez projetam-se para o córtex visual primário (V1) por meio de
projeções denominadas genículo-corticais.
Figura 1 – Esquema mostrando a via tálamo-cortical. A projeção do nervo óptico no tálamo e as
vias magno e parvocelular com inserção no córtex visual primário (modificado de Gazzaniga, 2006).
As células da via magnocelulares se projetam para a quarta camada de V1, para V2 e
V5, envolvida no processamento de informações sobre movimento, relações espaciais e
percepção de profundidade, além de projetarem para outras áreas do córtex parietal
associadas a funções vísuo-espaciais (via dorsal). Por essa razão é que se diz ser esse
sistema primariamente responsável por identificar “onde” um objeto é visto. A via
parvocelular, projeta-se às camadas profundas de V1, parte de V2, e V4, para o córtex
temporal inferior. Ela responde à orientação do estímulo, elemento essencial na percepção
de forma, contribuindo também com elementos fundamentais da percepção de cores.
Resume-se o papel dessa via dizendo-se que ela se relaciona com “o que” é visto, ou seja,
a identidade de um dado objeto. As células koniocelulares do NGL projetam-se para V1, V2
e V4, nesta ordem, e, finalmente para o córtex temporal inferior (via ventral), um circuito
273

V Curso de Inverno
envolvido na percepção de cor e forma.
2006).
Figura 2 – Via retino-genículo-cortical de processamento visual (modificado de Gazzaniga
A separação das projeções das vias magno, parvo e koniocelular não é absoluta,
sendo observadas interações e superposições funcionais entre elas em muitas instâncias ao
longo do processamento visual. Essa segregação, mesmo que parcial, exemplifica o intenso
processamento distribuído e paralelo executado pelo sistema nervoso. Também ilustra como
informações visuais contidas em um único estímulo são detectadas e analisadas
paralelamente por diferentes circuitos neurais, permitindo, por meio de sua atividade
sincrônica, gerar uma sensação unificada da estimulação, no processo perceptivo. Sendo
assim, ao olharmos para uma tartaruga, não vemos primeiro a cor verde, depois a forma
convexa, depois o movimento da direita para a esquerda, de modo fragmentado. Ao
enxergarmos uma tartaruga verde passando na nossa frente da direita para a esquerda, de
fato enxergamos uma tartaruga verde passando na nossa frente da direita para a esquerda,
como um conjunto integrado. Desta forma, podemos dizer que sua identificação vai
depender fundamentalmente da análise de sua forma, processada pela via parvocelular, que
é relacionada com o que vemos. O processamento de suas características cromáticas
(cores), que também auxilia na sua distinção, é realizado por uma via paralela, que se
origina em células ganglionares da retina, que respondem a diferentes comprimentos de
onda e se projeta ao córtex visual por intermédio das vias koniocelular e parvocelular. Um
terceiro subsistema, projetando-se por meio da via magnocelular, estará envolvido no
processamento de seu movimento e de suas relações espaciais, associado, portanto, a
“onde” vemos a tartaruga. Ao final desse processamento, distribuído por diferentes áreas e
processado por diferentes módulos neurais, essas informações fornecem não uma
percepção de características fragmentadas e separadas, mas sim uma percepção integrada
e coerente da cena visualizada. Não está completamente claro como essa associação de
274

Fisiologia do Comportamento
informações distintas processadas paralelamente, porém oriundas de uma mesma cena
visual são associadas, caracterizando o “binding problem”; é possível que essa associação
esteja relacionada com a atividade sincrônica dos diferentes módulos envolvidos no
processamento, sem a necessidade de sua confluência de sua atividade para uma região
específica do sistema nervoso que “integraria” a atividade dos diferentes módulos.
Referências Bibliográficas
Fuster JM (2006). The cognit: a network model of cortical representation. International Journal of
Psychophysiology 60: 125-132.
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Kandel ER, Schwartz JH, Jessel TM (1995). Essentials of Neural Science and Behavior. Appleton &
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Kandel ER, Schwartz JH, Jessell TM (2000). Principles of neural science. McGraw-Hill Medical, 4ª
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Lent R (2004) Cem Bilhões de Neurônios: Conceitos Fundamentais de Neurociência. Editora
Atheneu.
Revisado por Gilberto Xavier e Marcus Vinícius C. Baldo
275

V Curso de Inverno
Integração Neural
Renata Pereira Lima
Laboratório de Neurociências e Comportamento
renata.plim@gmail.com
Num sistema nervoso, neurônios nunca funcionam isolados; eles estão organizados
em circuitos que processam tipos específicos de informações. O sistema nervoso parece
organizado em grupos de circuitos, i.e., módulos, cujas funções servem a um propósito
comportamental específico. Desta maneira, sistemas sensoriais como a visão ou audição
adquirem e processam informações a partir de ambiente, o sistema motor permite que o
organismo responda a tais informações através da geração de ações. Há, entretanto, um
grande número de células e circuitos que estão entre estas mais ou menos bem definidas
aferências e eferências. Eles são coletivamente referidos como sistemas de associação e
são responsáveis pelas mais complexas funções. Além destas amplas distinções, os
neurocientistas tem convencionalmente dividido o sistema nervoso dos vertebrados, sob o
ponto de vista anatômico, em componentes centrais e periféricos. O sistema nervoso central
(SNC) compreende o encéfalo e a medula espinal. O sistema nervoso periférico (SNP) inclui
fibras de neurônios que conectam os receptores sensoriais na superfície do corpo ao SNC e
a porção motora, que consiste em axônios de nervos motores que conectam o encéfalo e a
medula espinal aos músculos esquelético, viscerais, cardíaco e glândulas.
Embora o arranjo dos circuitos que compõem estes sistemas varie grandemente de
acordo com suas funções, algumas características são comuns entre eles. As conexões
sinápticas que definem um circuito são tipicamente realizadas numa densa malha de
dendritos, e terminais axonais. A direção do fluxo de informação em um circuito particular é
essencial para se entender sua função. Células nervosas que transmitem informações em
direção ao sistema nervoso central são chamadas de neurônios aferentes; já as que
transmitem informações para fora do encéfalo e da medula espinal (ou para fora do circuito
em questão), são chamadas de neurônios eferentes.
Células nervosas que participam
somente no aspecto local do circuito são chamadas de interneurônios. Estas três classes –
neurônios aferentes, neurônios eferentes e os interneurônios – são os constituintes básicos
de todos os circuitos neurais.
De modo geral, podemos classificar os circuitos como:
Convergentes: aquele onde um grupo de neurônios recebe uma aferência (entrada) de
um neurônio pré-sináptico e o circuito tende a se tornar concentrado. Para demonstrar este
tipo de circuito, imagine que tenhamos os neurônios A, B, C e D. Os neurônios A, B e C
possuem cada um deles uma entrada diferente. Estas entradas se projetam para o neurônio
D e este se projeta para outro neurônio, realizando uma eferência (saída). Circuitos
convergentes são responsáveis, por exemplo, pela interpretação dos estímulos sensoriais.
276

Fisiologia do Comportamento
Divergentes: são os circuitos que trabalham de maneira oposta aos circuitos
convergentes. Em vez de concentrar as aferências, estas se projetam separadamente para
diferentes neurônios. No caso do circuito divergente, o neurônio A possui uma aferência e se
projeta para os neurônios B, C e D. A característica básica de um circuito divergente é o fato
de que um neurônio iniciará respostas de maneira crescente em outros neurônios. Tais
circuitos são encontrados nos sistema motores e sensoriais.
Reverberantes: o sinal de aferência é transmitido ao longo de uma série de neurônios
e cada um destes fará sinapses com neurônios de uma porção da via previamente
percorrida. O impulso reverbera sendo enviado ao longo do circuito continuamente até que
um neurônio seja inibido. Então, uma aferência no neurônio A se projeta para o neurônio B,
que se projeta para o neurônio C e então para o D e este se projeta de volta para o neurônio
A (ou para o B) e o ciclo se repete até que um neurônio (que pode ser tanto A, quanto B, C
ou D) seja inibido. Circuitos reverberantes estão envolvidos no ciclo de sono-vigília,
atividades motoras e memórias de longa duração.
Circuitos podem funcionar paralelamente ou serialmente. No funcionamento paralelo,
sinais aferêntes são separados em vias distintas e as informações são analisadas de
maneira analítica concomitantemente no tempo. Por exemplo, o sistema visual funciona em
vias paralelas que processam a informação neural de forma simultânea e integrada. Sinais
representando cores, movimento, forma e localização, por exemplo, são processados
simultaneamente em diferentes regiões do encéfalo. Atividades concomitantes (e
sincronizadas) nas vias visuais dorsal e ventral (que são anatomicamente distintas) são
responsáveis pela percepção unitária da imagem. No funcionamento serial, os resultados do
processamento de um circuito são necessários para que o próximo circuito possa contribuir
para o processamento. Isto é, um neurônio estimula outro neurônio, que por sua vez
estimula outro neurônio e assim por diante. Um exemplo clássico de processamento serial é
o arco reflexo. Um arco reflexo produz uma reação involuntária rápida, na maioria das vezes
inconsciente, que protege o organismo, sendo originado a partir de um estímulo externo que
gera uma resposta antes mesmo do indivíduo tomar conhecimento da existência do estímulo
periférico, e conseqüentemente, antes deste poder comandá-la voluntariamente. Muitos
reflexos motores são controlados por neurônios localizados na substância cinzenta da
medula espinhal e do tronco encefálico (incluindo bulbo, ponte e mesencéfalo),
independentemente da vontade, como por exemplo:
• a retirada imediata da mão de uma panela muito quente;
• extensão da perna após a percussão e estiramento do tendão patelar;
• fechamento da pupila com o aumento da intensidade luminosa;
• aumento da secreção gástrica com a chegada do alimento no estômago.
Desta maneira, o reflexo gera uma reposta involuntária do organismo a um
determinado estímulo (dor, estiramento, aumento da intensidade luminosa, variações da
277

V Curso de Inverno
pressão arterial etc). Ocorrendo um estímulo, a fibra sensitiva de um nervo aferente (ou
sensitivo) transmite-o até a medula espinhal passando pela raiz posterior, ou ao tronco
encefálico, por meio de um nervo craniano. Na medula ou no tronco encefálico o neurônio
aferente comunica-se com o eferente diretamente ou por meio de interneurônios
associativos, gerando, no neurônio motor a atividade que leva à ação. Os axônios eferentes
que levam essa ordem da medula (pela raiz anterior) ou do tronco encefálico (por um nervo
craniano) constituem as fibras eferentes motoras ou vegetativas, que levam a informação ao
órgão efetor (músculo estriado esquelético, glândula, músculo liso ou músculo cardíaco) que
executará a resposta ao estímulo inicial.
É importante ressaltar que o processamento serial é a maneira mais simples que um
circuito pode funcionar. Este tipo de processamento está envolvido nas respostas mais
simples e estereotipadas. Durante o processamento de funções mais complexas, de modo
geral, os circuitos envolvidos além de serem processados em série, funcionam
concomitantemente em paralelo com outros circuitos de maneira sincronizada.
Construção de circuitos e sua modificação pela experiência
A construção da circuitaria do sistema nervoso envolve processos ontogenéticos
associados à interação do sistema com o ambiente. Assim, fatores químicos liberados por
determinados neurônios em diferentes estágios do desenvolvimento ontogenético atraem
projeções de outros neurônios intrinsecamente; paralelamente, essas projeções e conexões
entre neurônios podem originar-se também em associação com a estimulação
proporcionada pelo ambiente e/ou pela atividade de certos conjuntos de neurônios. Assim,
os padrões macroscópicos básicos das conexões no sistema nervoso estabelecidas
filogeneticamente, podem ser microscopicamente alterados por padrões de atividade
neuronal (isto é, experiência), modificando a circuitaria sináptica do encéfalo. A atividade
neuronal gerada em decorrência de interações com o ambiente pré e pós-natal influencia a
estrutura e função do sistema nervoso, além da construção de sua circuitaria.
A história de interação de um individuo com o ambiente, i.e., sua experiência
acumulada, molda os circuitos neurais determinando seu comportamento. Em alguns casos,
as experiências funcionam primariamente como gatilhos que ativam alguns comportamentos
inatos. Mais frequentemente, entretanto, experiências desenvolvidas em períodos
específicos no início da vida (referidos como períodos criticos) determinam um repertório
comportamental no indivíduo adulto. Estes períodos críticos influenciam comportamentos
diversos incluindo laços maternais, preferências sexuais e aquisição de linguagem, entre
outros.
Embora seja possível identificar conseqüências comportamentais de determinados
estímulos, apresentados em períodos críticos, para essas funções complexas, suas bases
biológicas ainda não estão completamente esclarecidas. Talvez o exemplo mais bem
investigado relacione-se ao período critico no estabelecimento da visão. Estes estudos
278

Fisiologia do Comportamento
mostraram que a experiência é traduzida em padrões distintos de atividade neuronal que
influenciam a função e a conectividade dos neurônios relevantes. No sistema visual (e em
outros sistema também) a competição entre aferências com diferentes padrões de atividade
é um determinante importante na consolidação dos padrões de conectividade. Em um
axônio aferente, padrões de atividade correlatos tendem a estabilizar as conexões. Quando
padrões normais de atividade são rompidos (experimentalmente, em animais, ou
patologicamente, em humanos) durante um período critico na infância, a conectividade no
córtex visual é alterada, assim como a função visual. Se não é feita a manutenção destes
padrões até o final do período critico, estas alterações estruturais da circuitaria nervosa
dificilmente se restabelecem posteriormente.
A conectividade nervosa estabelecida ao longo do desenvolvimento normal possibilita
ao encéfalo armazenar vasta quantidade de informações que reflete a experiência especifica
daquele individuo. Como esperado, a construção dessa conectividade que tanto influencia o
desenvolvimento do sistema nervoso gera alterações maiores nos estágios iniciais de
desenvolvimento. Assim, em um animal adulto, o sistema nervoso se torna gradativamente
mais refratário a lições da experiência e o mecanismo celular que media as alterações da
conectividade neuronal se tornam menos plásticos.
Integração entre circuitos: o modelo de redes
O conceito de que no córtex cerebral há domínios discretos dedicados mais ou menos
exclusivamente a algumas funções cognitivas, tais como discriminação visual, linguagem,
atenção espacial, reconhecimento de face, retenção de memória, memória operacional etc,
tem sido questionado devido à falta de evidências conclusivas que o apoiem. Em seu lugar,
modelos de redes neurais têm sido apresentados como uma alternativa mais coerente com
as evidências disponíveis sobre seu funcionamento.
Em 1949, Donald Hebb propôs que durante a aprendizagem neurônios estimulam
outros neurônios, de tal forma que a atividade concomitante de ambos os conjuntos leva a
um fortalecimento das sinapses entre eles, levando a alterações estruturais. De acordo com
essa noção, essa alteração estrutural leva ao armazenamento da informação podendo
explicar o fenômeno da memória. Este modelo postula que todas as representações
cognitivas consistem em redes de neurônios cuja atividade foi associada pela experiência.
Nesse contexto, pode-se assumir que memórias filogenéticas correspondem a redes que se
consolidaram ao longo das gerações e não necessitam de experiência individual para serem
funcionais, embora possam ser aprimoradas pela experiência individual. Tipicamente, um
neurônio recebe informações de cerca de 10 4 neurônios e, por sua vez, projeta-se para
outros 10 4 neurônios. Como o encéfalo humano contém pelo menos 10 11 neurônios, isto
significa dizer que pelo menos 10 19 conexões sinápticas são formadas no cérebro; porém, a
complexidade de seu funcionamento é evidentemente maior, em particular quando se
considera os arranjos seqüenciais pelos quais uma informação pode viajar ao longo de
279

V Curso de Inverno
seqüências de neurônios. Quanto mais freqüentes as exposições a estímulos relevantes,
mais fortes tornam-se essas conexões. Como conseqüência, a informação tende a ser
arquivada de maneira relacional. Isso permite entender porque a recordação envolve,
usualmente, categorias. Por exemplo, ao pedirmos para uma pessoa listar todos os animais
de que se recorda, não raro a lista conterá animais agrupados por categorias de
similaridade, ou seja, quadrúpedes, aves, animais aquáticos, invertebrados etc. O mesmo
ocorre em relação a alimentos; a recordação também será categórica (frutas, verduras,
legumes, carnes etc.). Isso ocorre porque o aumento de atividade eletrofisiológica em
determinados circuitos neurais (que levam à recordação de uma dada informação) tende a
estimular a atividade em circuitos relacionados. Assim, quando aprendemos que
determinado estímulo se refere a um determinado conceito, estamos na verdade fazendo
associações com conceitos que já conhecemos (associando nós de uma rede com outros).
Então, quando visualizamos o desenho de uma tartaruga, integramos todas as informações
disponíveis (cor, forma, contexto, movimento) com os circuitos já consolidados previamente
e que em algum momento foi associado ao conceito “tartaruga”. O mesmo vale para uma
outra modalidade de estímulo, ou seja, um som específico que atribuímos como
característico de um determinado animal, o cheiro de uma comida que está intimamente
ligado com o seu sabor etc.
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Revisado por Gilberto Xavier e Marcus Vinícius C. Baldo
280

Fisiologia do Comportamento
Memória e Aprendizagem
Rodrigo Pavão
Laboratório de Neurociências e Comportamento
rpavao@gmail.com
A memória pode ser definida como a capacidade de um organismo alterar seu
comportamento em decorrência de experiências prévias. Do ponto de vista fisiológico, essa
capacidade é resultado de modificações na circuitaria neural em função da interação do
indivíduo com o ambiente. Como já foi apresentado nos capítulos anteriores, o encéfalo
humano é composto por bilhões de neurônios, cada neurônio se projeta para centenas de
outros neurônios, e as regiões em que essas células se comunicam são denominadas
sinapses. A Figura 1 (esquerda) mostra um botão terminal do neurônio pré-sináptico “A”
sobrepondo-se ao corpo celular de um neurônio pós-sináptico; o primeiro é capaz de
modular a atividade do segundo. A formação de novas memórias envolve mudanças nas
sinapses existentes (como a do terminal “A“ com o neurônio pós-sináptico) ou a formação de
novas sinapses (como a do terminal axonal “B” sobre o terminal “A” – ver Figura 1, direita);
essas alterações levam à alteração e estabelecimento de circuitos neurais que representam
as memórias arquivadas.
Figura 1 – Sinapses axo-somática (esquerda) e axo-axônica (direita). A atividade do botão
axonal “B” pode modular a liberação de neurotransmissores do botão terminal “A” (modificado de
Carlson, 1998).
Esse conhecimento atual resultou do trabalho de inúmeros personagens;
destacaremos os principais em um breve histórico do estudo da memória. As primeiras
indagações de que se têm notícia na história da humanidade sobre a natureza da memória
foram formuladas pelos filósofos gregos e, posteriormente, reformuladas pelos pensadores
iluministas. No entanto, o estudo experimental da memória teve início no século XIX, com o
desenvolvimento do que hoje denominamos Psicologia Experimental. Hermann Ebbinghaus
(1880) realizou uma série de estudos (avaliando sua própria memória) envolvendo a
memorização de listas de sílabas sem sentido e a recordação das mesmas em diferentes
períodos de tempo depois de sua apresentação. Suas principais observações são
resumidas na Figura 2.
Müller e Pilzecker (1900), inspirados pelos trabalhos de Ebbinghaus, realizaram testes
que envolviam a apresentação de pares de sílabas que cuja lembrança deveria ocorrer após
281

V Curso de Inverno
um intervalo de tempo, oferecendo-se apenas um dos elementos de cada par; uma lista
distratora era oferecida para um segundo grupo de voluntários durante o intervalo de tempo
entre a lista apresentada e a lembrança da primeira lista. Os autores notaram que os
voluntários cuja atenção foi desviada do material estudado exibiram lembrança menor do
que o grupo de voluntários sem desvio da atenção; assim, enfatizaram a fragilidade das
memórias quando a atenção é desviada (Lechner e col.,1999). Esses autores descreveram
também o efeito de perseveração, em que testes posteriores eram afetados por testes
prévios. Os voluntários lembravam-se de pares de sílabas apresentadas em outro teste,
realizado semanas antes, resultando em erros, pois novas combinações deveriam ser
recordadas. A lembrança de combinações estudadas semanas antes evidencia que
atividade cerebral persevera após novo aprendizado (Lechner e col.,1999). Essa atividade é
resultante do processo de consolidação das memórias. No trabalho de Ebbinghauss (1885)
a estabilização da lembrança das sílabas várias horas após sua apresentação é também
resultado desse processo de consolidação.
Figura 2 – Resultados dos estudos de Ebbinghauss envolvendo memorização de listas
de sílabas. Foram descritas (1) a curva de recordação ao longo do tempo após a exposição às
sílabas (painel da esquerda) em que ocorre uma queda rápida da porcentagem de itens
recordados até cerca de duas horas; a partir de então, a porcentagem de itens recordados
permanece praticamente constante, (2) recordação em função da posição na série, em que a
recordação logo após a apresentação da seqüência de itens resulta numa maior lembrança dos
itens posicionados no início e no final da lista de itens, e (3) a curva de aprendizagem, em que
há necessidade de vários dias de treinamento para que a lembrança completa da lista ocorra
com menos treino (Ebbinghauss, 1885).
Esses resultados sugeriram a existência de diferentes tipos de memória, incluindo (1)
uma memória que dura poucos segundos ou minutos, suscetível a interferências e não
consolidada, e (2) memória que dura dias ou semanas, robusta e resistente a interferências,
e consolidada.
Em seu livro Principles of Psychology, William James (1890) denominou esses tipos de
memória como (1) memória consciente primária e (2) memória consciente secundária,
respectivamente. Além disso, esse autor mencionou também, em capítulos distintos,
282

Fisiologia do Comportamento
“habilidades / hábitos”, envolvendo experiência não consciente. Curiosamente, essas idéias
foram ignoradas até a década de 1960.
No início do século XX, o fisiologista russo Ivan Pavlov e o psicólogo americano
Edward Thorndike, descreveram, respectivamente, o Condicionamento Clássico, em que um
animal aprende a associar dois estímulos (e.g., som de campainha a apresentação de
comida) pela sua apresentação contígua, e o Condicionamento Operante em que o animal
aprende a associar uma resposta motora a uma recompensa e uma segunda resposta a
uma punição.
Esses paradigmas estabelecidos por Pavlov e Thorndike influenciaram de modo
decisivo uma escola de pensamento denominada Behaviorismo, que almejava tornar a
psicologia uma “ciência objetiva”, baseada na observação de comportamentos, desprezando
conceitos como pensamento, imaginação, consciência ou mente, que eram consideradas
entidades subjetivas, não passíveis de abordagem experimental. A história do Behaviorismo
pode ser contada por seus conflitos com outras escolas de pensamento, como sua disputa
com a Psicologia Clínica, em que os behavioristas criticavam os psicanalistas por uma
suposta falta de controle experimental e de embasamento lógico e científico. Os
behavioristas defendiam que deve-se estudar as relações entre os estímulos apresentados
e as respostas geradas.
Uma escola alternativa de pensamento também baseada nos estudos iniciais de
Pavlov e Thorndike, denominada Cognitivismo, investigava não apenas como estímulos
geravam reações, mas também os processos não observáveis diretamente, mas que
intervêm entre o estímulo e a resposta. Essa escola de pensamento admite a flexibilidade do
comportamento animal, incluindo conceitos como representação, criação, inteligência,
memória e atenção, conceitos não admitidos pelo behaviorismo por não serem restritos à
relação entre estímulos e respostas.
O cognitivista Edward Tolman (1948) defendeu a idéia de que ratos arquivam em sua
memória uma representação espacial do ambiente, um mapa cognitivo, que permite a
orientação flexível no ambiente, inclusive encontrar atalhos nunca percorridos, mas
dedutíveis a partir do mapa cognitivo. Na esteira dos etologistas, Cooper e Zubek (1958)
realizaram estudos sobre as relações entre os comportamentos inatos e aprendidos (ver
Figura 3).
E os mecanismos fisiológicos subjacentes a esses processos?
Gold e colaboradores (1970) expuseram ratos a uma câmara clara de uma caixa
conectada, por uma porta tipo guilhotina, a uma câmara escura cujo assoalho é constituído
de barras metálicas eletrificáveis. Os ratos rapidamente entram na câmara escura; no
entanto, ao entrarem nessa câmara, levam um choque nas patas. Em tentativa posterior
(teste), realizada 24 horas depois, os animais inseridos na câmara clara não entram na
câmara escura (ver a barra vermelha da Figura 4). Animais de um grupo controle, que não
receberam choque nas patas no dia anterior, entram rapidamente na câmara escura (ver
283

V Curso de Inverno
barra verde da Figura 4). Em experimentos adicionais, a intervalos de tempo variáveis
depois do treinamento com choque nas patas, aplica-se uma corrente elétrica no sistema
nervoso dos animais, um choque eletro-convulsivo (ver Figura 4 - esquerda). Observa-se
que quanto menor o intervalo de tempo entre o choque nas patas e o choque eletroconvulsivo,
maior é o prejuízo de memória aversiva sobre o ambiente escuro. Porém, a
medida que esse intervalo de tempo aumenta, menor é o efeito, como se o choque eletroconvulsivo
perdesse sua efetividade para “apagar” a memória (ver Figura 4 – direita, barras
de cor laranja).
Figura 3 – Ratos de uma mesma população inicial, que apresentavam diferentes níveis
de desempenho em uma tarefa envolvendo a aprendizagem de um labirinto foram cruzados por
gerações sucessivas, gerando uma linhagem “burra” e uma linhagem “brilhante” no
desempenho dessa tarefa. Em seguida, esses animais foram expostos a três condições
ambientais distintas, envolvendo (1) crescimento em ambiente empobrecido (gaiola com
animais isolados), (2) crescimento em ambiente padrão (caixa com um pequeno grupo de
animais), e (3) crescimento em ambiente enriquecido (caixa grande, com muitos animais,
brinquedos etc). Os animais das linhagens “burra” e “brilhante” crescidos em ambientes
empobrecido ou enriquecido exibiram desempenho equivalente. Diferentemente, animais
dessas duas linhagens crescidos em ambiente padrão exibiram marcada diferença de
desempenho; o desempenho dos animais da linhagem “brilhante” foi marcadamente melhor.
Em outras palavras, a diferença existe apenas condição padrão de criação. Os autores
concluíram que tanto fatores inatos como ambientais influenciam o comportamento (modificado
de Cooper e Zubek, 1958).
Shashoua (síntese publicada em 1985) prendeu um flutuador nas nadadeiras peitorais
de peixinhos dourados de modo que os animais ficam em posição invertida. Após longo
esforço de cerca de 3 horas, alguns peixes conseguem volta à posição normal, apesar do
flutuador (Figura 5, treino inicial representado pela curva verde). Se o flutuador for removido
e recolocado três dias depois, os animais que aprenderam a tarefa mais rapidamente; i.e.,
os peixes conseguem voltar à posição normal em apenas 15 minutos, o que indica que eles
284

Fisiologia do Comportamento
aprenderam e retiveram a solução desse desafio (curva azul) (para detalhes sobre esses
experimentos, ver Helene e Xavier, 2007a).
Figura 4 – Experimento ratos e choques. A organização temporal dos eventos e os resultados
estão apresentados à esquerda; os resultados obtidos estão à direita. Modificado de Xavier (2004) e
Gold (1970).
Figura 5 – Experimentos de Shashoua (1985) envolvendo aprendizagem em peixes dourados
(para detalhes ver o texto) (modificado de Shashoua, 1985, e Xavier, 2004).
Em outro teste, Shashoua (1985) injetou valina marcada com hidrogênio radioativo
(valina-H*) no ventrículo encefálico de animais que ficaram por 4h com o flutuador, ou valina
marcada com carbono radioativo (valina-C*) no ventrículo de animais que não foram
treinados. Os encéfalos dos animais dos dois grupos foram homogeneizados conjuntamente
e as proteínas foram separadas por peso molecular. A maioria das proteínas presentes
estava marcada tanto com valina-H* quando com valina-C*; porém, algumas delas estavam
mais marcadas com valina-H*, indicando que elas se originaram no cérebro dos animais que
aprenderam a tarefa; essas proteínas foram denominadas ependiminas. Num terceiro teste,
as ependiminas foram isoladas e injetadas em coelhos para producão de anticorpos
específicos contra as ependiminas. Então, os anticorpos foram injetados no ventrículo
encefálico de peixes que tinham acabado de aprender a tarefa de nadar com o flutuador; no
285

V Curso de Inverno
teste de memória realizado 3 dias depois, esses peixes demoraram cerca de 3h para voltar
à posição normal (Figura 5, curva vermelha). Ou seja, esses animais comportam-se como
se nunca tivessem sido submetidos ao treinamento. Presentemente, as ependiminas são
denominadas “moléculas de adesão celular” e estão diretamente relacionadas com o
fortalecimento e formação de sinapses.
Em conjunto, os resultados dos experimentos envolvendo choques eletro-convulsivos
e síntese de proteínas sugerem que há dois processos envolvidos na manutenção da
memória. Um deles, mais instável, é prejudicado pelo choque eletro-convulsivo, estando
relacionado ao padrão de atividade eletrofisiológica dos neurônios (freqüência de disparos,
por exemplo). O outro, associado com produção de proteínas, parece envolver alterações
estruturais nas sinapses gerando circuitos alterados no sistema nervoso. Num certo sentido,
esses dois tipos de processos parecem sobrepor-se aos descritos por James (1890).
Resumindo, parece haver (1) uma Memória de Curta Duração, baseada na atividade
elétrica dos neurônios e, assim, um tanto suscetível a interferências e (2) uma Memória de
Longa Duração, representada por alterações estruturais dos neurônios, particularmente nas
sinapses com outros neurônios, robusta e resistente a interferências.
Onde esses traços de memória estão no sistema nervoso? Eles estariam localizados
em áreas discretas ou estariam espalhadas pelo sistema nervoso? Este tipo de investigação
ficou conhecida como “a busca pelo engrama (= traços de memória)”.
Franz Gall, fundador da Frenologia, no século XIX, defendia que quando uma pessoa
usa muito uma determinada região do cérebro, esta se hipertrofiaria (de modo similar a um
músculo) e, assim, deformava a caixa craniana, gerando um “calombo”; por outro lado, se a
região não fosse usada, ela atrofiaria, gerando uma “depressão”. Seguindo esta concepção,
Gall investigava o formato da caixa craniana de pessoas inteligentes, engraçadas, egoístas,
loucas etc. e propôs mapas sobre a localização das funções mentais (publicados em
revistas especializadas como a American Phrenology Journal, http://www.phrenology.com/
americanphrenology.html). Esta proposta gozou de grande reputação durante o século XIX,
mas foi totalmente abandonada posteriormente.
Figura 6 – Franz Gall e um mapa frenológico.
Na década de 1920, Karl Lashley tentou localizar, em ratos, o engrama, ou seja, os
traços da memória, responsáveis pelo aprendizado do percurso para se orientar num
286

Fisiologia do Comportamento
labirinto. Para testar essa idéia ele fez incisões no córtex antes ou depois do animal
aprender a tarefa; então, avaliava o desempenho do animal, tentando correlacionar a
extensão das lesões, com seu desempenho. O autor descreveu que os prejuízos de
aprendizagem e memória se correlacionam com a extensão da lesão, mas não com sua
localização (ver Bear, 2002; Helene e Xavier, 2007b). Esse resultado favoreceu a hipótese
de que os engramas estão espalhados pelo sistema nervoso e não dispostos em áreas
específicas como propunham, por exemplo, os frenologistas.
No entanto, as memórias parecem não estar totalmente espalhadas pelo encéfalo
como sugerem os resultados de Lashley. Pensa-se, atualmente, que os ratos solucionam a
tarefa valendo-se de diferentes modalidades sensoriais (visão, propriocepção, tato, olfato
etc.) e estratégias (orientação alocêntrica, egocêntrica etc.); quando as lesões são
pequenas, os ratos podem aprender e lembrar a solução usando as modalidades
preservadas; quando as lesões são extensas, o rato é incapaz de aprender ou lembrar do
labirinto.
Essa interpretação vai ao encontro de uma idéia interessante, denominada modelo de
“cell assembly” (de agrupamento de células) de Donald Hebb (1949). De acordo com essa
proposta, o engrama estaria representado em uma rede neural distribuída como
apresentada na Figura 7.
Figura 7 – Esquema representativo de redes neurais de Hebb. Os pontos pretos são os
neurônios e as linhas são as conexões. A rede tem uma organização inicial como representado em
(A); ao receber um estímulo, é ativada (B); esse estímulo pode ser apresentado repetidas vezes, ou
pode ter reverberado nessa rede, de modo que as conexões entre os neurônios são fortalecidas (C e
D); então, um estímulo mais fraco ou mesmo incompleto, mas que mantenha algumas das
características do inicial (D) é capaz de ativar a rede fortalecida (E) (modificado de Bear, 2002, e de
Helene e Xavier, 2007b).
A perspectiva de que o engrama da memória esteja representado em circuitos neurais
que funcionam de maneira cooperativa e que diferentes regiões nervosas podem contribuir
para esse processo, estimulou os neurocientistas a se debruçassem sobre a tentativa de
localizar os sítios da memória em nosso encéfalo.
O estudo do caso do paciente H.M. muito contribuiu para o desenvolvimento dessa
área. Esse paciente sofria de epilepsia intratável (na ocasião); o foco epiléptico situava-se
no lobo temporal medial, bilateralmente. Então, na tentativa de ajudar o paciente, removeu-
287

V Curso de Inverno
se essa estrutura cirurgicamente; isso resultou na remoção dos 2/3 anteriores do hipocampo
e da amígdala, além de outras porções corticais (Scoville e Milner, 1957) (ver Figura 8,
esquerda). Como esperado, H.M. foi curado da epilepsia; porém, exibiu uma perda de
memória. A amnésia de H.M. era anterógrada (o paciente era incapaz de formar novas
memórias) e também retrógrada; porém, neste último caso a amnésia era temporalmente
graduada (ver Figura 8 direita). O prejuízo cognitivo de H.M. estava restrito à aquisição de
memórias de longa duração; suas capacidades perceptuais se mantiveram, assim como seu
QI, sua personalidade e a memória de curta duração; ou seja, estes últimos, estavam todos
preservados (Scoville e Milner, 1957).
Vale ressaltar aqui que mais uma vez foi mostrada a distinção entre memória de curta
duração (associada à atividade elétrica) e memória de longa duração (associada à estrutura
neural) proposta por James um século antes.
Figura 8 – O paciente H.M. teve parte do lobo temporal medial removido bilateralmente (porção
cortical, amígdala e hipocampo). A amnésia exibida por H.M. era anterógrada (ele era incpaz de
formar novas memórias) e retrógrada, neste último caso, temporalmente graduada (lembranças da
juventude e de eventos ocorridos até 2 anos antes da cirurgia foram preservados, mas as lembranças
são gradualmente prejudicadas até o momento da cirurgia (modificado de Bear, 2002 e Xavier, 2004).
No entanto, H.M. conseguia adquirir e reter diversas informações. Por exemplo,
aprendeu a ler palavras invertidas, como se apresentadas por meio de um espelho, após a
cirurgia e também novas habilidades motoras e cognitivas (ver Helene e Xavier, 2007a, para
detalhes). Mesmo assim, se consultado sobre seu treinamento prévio nessas tarefas,
alegava nunca ter feito isso; mesmo assim, seu desempenho nessas tarefas treinadas era
proficiente.
Aparentemente, o hipocampo (e outras estruturas do lobo temporal medial) é
fundamental para a reverberação da atividade neural, que leva ao arquivamento de
informações sobre eventos experienciados. Essa reverberação seria essencial para o
arquivamento das informações sobre “o que” ocorreu, mas não sobre “como” desempenhar
uma tarefa percepto-motora. Na aquisição de uma habilidade, por exemplo, “como” andar de
288

Fisiologia do Comportamento
bicicleta, a aquisição envolveria o treinamento repetitivo e envolveria regiões nervosas
intactas no paciente H.M. Assim, embora o paciente adquira essa habilidade não é capaz de
se recordar “que” já a praticou. Em outras palavras, a natureza da informação “saber que” é
diferente da natureza da informação sobre “saber como” (ver Helene e Xavier, 2007a, para
detalhes). As memórias “saber como” são atualmente denominadas memórias implícitas (o
que faz bastante sentido, pois é muito difícil declarar como se anda de bicicleta) e “saber
que” são denominadas memórias explícitas.
Pacientes com Doença de Parkinson (que exibem disfunções em estruturas nervosas
denominadas gânglios da base) exibem um quadro oposto ao dos amnésicos (que, como
vimos, tem lesão no lobo temporal medial). Os pacientes com disfunções nos gânglios da
base exibem memória explícita preservada e prejuízo da memória implícita; esse prejuízo
pode envolver tanto aprendizagem e desempenho de respostas motoras, como perceptuais
(pacientes com Parkinson, por exemplo, exibem prejuízo na aprendizagem da habilidade de
leitura de palavras invertidas) (Knowlton e col., 1996; Perretta e col., 2005).
A memória de curta duração, preservada em amnésicos e parkinsonianos, usada
corriqueiramente para guardar, por exemplo, um número de telefone obtido numa lista (e
quando terminamos de teclá-lo já não somos mais capazes de declará-lo), está associada
ao funcionamento dos córtices frontal e parietal (Baddeley e Warrington, 1970). A memória
de curta duração é frequentemente denominada memória operacional.
Assim, memória vem sendo classificada em (1) memória de curta duração ou memória
operacional e (2) memória de longa duração. Por sua vez, a memória de longa duração
pode ser subdividida em (2a) memória explícita e (2b) memória implícita.
Memória de Curta Duração (Memória Operacional)
ex. lembrar número da lista telefônica
Memória Explícita
ex. lembranças
Memória Implícita
ex. habilidades e hábitos
mantida em amnésicos
prejudicada em amnésicos, mantida em amnésicos
mantida em parkinsonianos
especialmente para eventos prejudicada em parkinsonianos
prejudicada em pacientes com danos frontais
recentes.
mantida em pacientes frontais
mantida em parkinsonianos
mantida em pacientes frontais
dura poucos segundos ou minutos
suscetível a interferências
dura semanas ou anos
é resistente a interferências
não consolidada (representada no padrão de atividade
eletrofisiológica das redes neurais; e.g., freqüência de
disparos)
consolidada (representada na estrutura das redes neurais; e.g.,
ependiminas) – memória implícita pelo treino repetitivo,
memória explícita pela reverberação (hipocampo)
É possível fazer uma comparação, que poderia ser interpretada como provocação,
entre a Frenologia do século XIX e o modelo de memória atual. Apesar de um pouco
agressiva, essa comparação é útil, pois estimula a interpretação de que os modelos são
aproximações incompletas que nos ajudam entender a realidade (ver http://fisio.ib.usp.br/
fisioteorica). De fato, algumas limitações do modelo de memória podem ser apontadas,
como não levar em conta a dramática plasticidade do sistema nervoso e a clara inspiração
289

V Curso de Inverno
nos equipamentos eletrônicos.
O primeiro aspecto pode ser evidenciado pelo estudo realizado por Leah Krubitzer
(1998) sobre a estrutura cortical de gambás. O córtex de um gambá adulto normal exibe
uma estrutura como a representada na Figura 9 (esquerda); se nos estágios fetais o animal
é submetido à remoção parcial do córtex, seu córtex adulto exibirá estrutura bastante
diferente da do gambá normal (Figura 9, direita). Isso mostra que estruturas relacionadas
com determinados tipos de processamento podem assumir funções distintas (o animal
lesado apresenta uma reorganização generalizada do sistema, não limitado a prejuízo no
processamento visual). Assim, uma interpretação alternativa a dos correlatos anátomofuncionais
obtidos dos estudos envolvendo lesões é de que o sistema lesado funcione de
modo distinto, não limitado ao prejuízo naquela função.
Figura 9 – Organização cortical de gambás adultos. À esquerda o córtex normal e à direita o
córtex re-organizado após uma lesão fetal (modificado de Krubitzer, 1998).
O outro aspecto é o uso de analogia entre funcionamento de equipamentos eletrônicos
e o funcionamento dos sistemas de memória. Isso, em princípio, não é um problema; é
simplesmente uma estratégia de estudo. A evolução dos modelos de memória parecem
corresponder a evolução dos equipamentos eletrônicos, e.g., (1) modelo de conexões
estímulo-resposta inspirada nas centrais telefônicas do início do século XX, (2) os modelos
sobre tipos de memória, estocagem e recuperação da informação inspirados nos
computadores dos anos 50-80 que também sofreram grande avanço e (3) computadores
atuais estão muito mais flexíveis, com grande interação entre hardware e software. Um
exemplo dessa questão, que pode ser apresentada como uma restrição ao entendimento do
sistema nervoso ao avanço tecnológico dos computadores, é evidente nas palavras de
Baddeley (1998): “por que não desenvolver computadores que são baseados em
processamento paralelo, e estudar as capacidades desse sistema para aprender, lembrar e
pensar?”. Talvez a analogia tenha assumido um outro papel que não inspirar / facilitar a
comunicação, tornando-se uma “camisa-de-força” ao restringir o entendimento do fenômeno
às características do sistema descrito na analogia.
Apesar dessas limitações, é inegável que esse modelo é útil e pode gerar
conseqüências práticas. Sabe-se que pacientes com a doença de Parkinson exibem sérias
dificuldades em suas atividades rotineiras, em decorrência do prejuízo da memória implícita.
290

Fisiologia do Comportamento
Piemonte (2000), partindo do conhecimento de que pacientes com a doença de Parkinson
exibem prejuízo da memória implícita, mas memória explícita preservada, treinou esses
pacientes a realizarem suas atividades cotidianas como andar, levantar-se da cama ou vestir
uma camisa, com base em seqüências de instruções memorizadas explicitamente sobre
como executar cada uma dessas tarefas; isto é, cada uma dessas ações foi subdividida em
sub-componentes de movimentos, por exemplo, levantar a perna, virar o tronco, empurrar a
cama, que foram memorizados explicitamente pelos pacientes. Então, essas memórias
declarativas eram utilizadas no momento do desempenho da atividade. O resultado foi um
aumento na velocidade e precisão dos movimentos por parte dos pacientes, com melhora
substancial de sua qualidade de vida. Isso ressalta que modelos, apesar de muitas vezes
incompletos, podem gerar conseqüências práticas e também contribuir para o avanço do
conhecimento numa área.
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Revisado por André Frazão Helene e Gilberto Xavier
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Fisiologia do Comportamento
Neurofisiologia da Atenção
Claudia F. de O. Marote
Laboratório de Neurociências e Comportamento
claufmar@ib.up.br
Os sistemas sensoriais de um indivíduo recebem uma diversidade de estimulações a
todo momento. Algumas destas entradas sensoriais são relevantes para o comportamento
corrente, outras não. Imagine a situação de dirigir um carro: o acendimento da luz vermelha
no farol deve ser identificado e a resposta apropriada de frear deve ser emitida; o
acendimento da luz vermelha do farol do carro parado à esquerda precisa ser identificado,
mas não necessita de resposta; a luz vermelha do rádio pode ser ignorada. As entradas
sensoriais dos estímulos identificados foram selecionadas e receberam processamento
adicional pelo sistema nervoso enquanto que as demais foram ignoradas. Esta seleção é
efetivada pela atenção, sendo seu estudo, portanto, fundamental para o estudo do
comportamento.
A atenção é mais comumente observada pela alteração do comportamento do
indivíduo. Assim, quando queremos examinar com mais eficiência um evento,
movimentamos o respectivo órgão sensorial em sua direção. O movimento dos olhos, por
exemplo, permite que uma imagem recaia em nossa fóvea, aumentando a eficiência de seu
processamento. Entretanto, quando nos encontramos em um ambiente repleto de pessoas,
com diversas conversas paralelas, conseguimos alternar nossa atenção entre uma conversa
e outra; também conseguimos acompanhar o movimento de uma pessoa interessante “pelo
canto dos olhos”. Ou seja, é possível orientar a atenção sem que haja movimentação da
superfície sensorial, o que é conhecido por “orientação encoberta” da atenção.
No dia-a-dia nos deparamos com inúmeras situações nas quais procuramos um objeto
no meio de muitos outros, por exemplo, quando buscamos um livro específico em uma
estante repleta de livros. Para a investigação desses fenômenos e produção do
conhecimento científico nessa área tenta-se criar testes em que se tem controle sobre as
variáveis em estudos, e que sejam aplicáveis em laboratório.
Descreveremos duas tarefas que envolvem a atenção nas situações descritas acima,
a de orientação encoberta e a de busca visual. Uma forma de mensurar o efeito da atenção
no processamento do estímulo é examinar como os indivíduos respondem a um estímulo
alvo. A medida utilizada é o tempo de reação, i.e., o tempo desde a apresentação do
estímulo até a emissão da resposta, que indica quanto tempo o indivíduo levou para
sinalizar que percebeu o estímulo alvo. Estímulo alvo é o estímulo procurado, ou esperado,
ou seja, o estímulo ao qual o indivíduo deve responder.
TAREFAS EXPERIMENTAIS
Orientação da atenção - Posner (1980) desenvolveu uma tarefa que permite avaliar o
efeito da atenção encoberta. A Figura 1 exemplifica a tarefa.
293

V Curso de Inverno
Figura 1 – Ilustração da tarefa de orientação encoberta (vide texto). A variação na luminância
de um dos quadrados laterais serve como pista para a orientação da atenção. O voluntário deve
pressionar uma tecla ao detectar o alvo. Quando o alvo aparece no mesmo lado da pista (tentativa
válida) o tempo de reação é menor do que quando o alvo aparece no lado oposto (tentativa inválida)
(adaptado de Posner e Raichle, 1994).
Em um monitor são apresentados dois quadrados laterais e uma cruz central. Com o
olhar fixo na cruz, durante todo o experimento, o voluntário deve responder pressionando
um botão ao aparecimento de um estímulo alvo, um círculo dentro de um dos quadrados
periféricos. Em cada tentativa, antes do aparecimento do alvo, um dos quadrados periféricos
sofre uma variação de sua luminosidade, o que serve como pista. O alvo pode ser
apresentado no mesmo lado da pista, constituindo uma tentativa válida, ou no lado oposto,
constituindo uma tentativa inválida. A variável considerada é o tempo decorrido desde o
aparecimento do alvo até a resposta do voluntário, chamado de tempo de reação. O
resultado usualmente observado é que o tempo de reação nas tentativas inválidas é maior
do que o tempo de reação nas tentativas válidas. Uma vez que a resposta emitida é a
mesma nos dois tipos de tentativas e o olhar permanece fixo no centro do monitor, esta
diferença, conhecida como efeito de validade, é atribuída a um processamento interno
diferencial do estímulo nas condições válida e inválida. Este processamento diferencial é
imputado à atenção: considera-se que a pista atrai a atenção e quando o alvo é apresentado
na mesma posição (tentativa válida) a resposta é mais rápida e mais acurada do que na
situação em que a atenção tem que ser movida da posição da pista para o local do alvo
(tentativa inválida) (Posner, 1980; Posner e Raichle, 1994). Estes autores propuseram a
294

Fisiologia do Comportamento
metáfora de que a atenção funciona como o foco de uma lanterna, que ilumina a região
atendida, dando prioridade para os estímulos nela presentes.
A pista pode ser também uma seta próxima da cruz central. Nesta condição considerase
que o voluntário deva intencionalmente orientar a atenção para o lado indicado pela seta.
Este tipo de orientação da atenção é considerado voluntário ou endógeno, em oposição à
orientação automática ou exógena, que ocorreria quando um estímulo atrai a atenção para o
local onde o alvo é apresentado. A condição de orientação endógena também é rotulada “de
cima para baixo”, referindo-se ao controle da atenção por áreas situadas em níveis mais
elevados de processamento do sistema nervoso, e que atuam sobre as áreas em níveis
mais sensoriais. Já a condição de orientação exógena pode ser denominada “de baixo para
cima”, na qual sistemas sensoriais estariam no controle da orientação da atenção.
Tarefa de busca visual - Nesta tarefa, geralmente solicita-se ao indivíduo que
identifique um estímulo específico, o alvo, apresentado em conjunto com outros estímulos,
chamados de distrativos. Por exemplo, procurar uma barra vertical entre diversas barras
horizontais. Nesta tarefa registra-se o tempo que o voluntário leva para identificar o alvo. O
resultado obtido é um tempo de reação bastante curto, e que independe do número de
estímulos distrativos, se o estímulo alvo difere dos mesmos por apenas uma característica,
como se o alvo “saltasse aos olhos”. Já na condição em que o alvo compartilha mais que
uma característica com os estímulos distrativos, por exemplo, buscar uma barra vermelha
vertical entre barras vermelhas horizontais e barras verdes verticais, então o tempo de
reação é tanto maior quanto maior o número de estímulos distrativos presentes no arranjo.
Na busca que “salta aos olhos”, processos pré-atentivos segmentariam o campo visual em
unidades perceptuais, analisando as propriedades básicas (por exemplo, cor, orientação,
movimento) dos elementos do conjunto; tal análise aconteceria em paralelo, daí a resposta
ser rápida. Na condição de busca por mais de uma característica, considera-se que deve
haver uma conjunção de características, o que requereria atenção, pois a busca aconteceria
serialmente, de item a item.
Essas evidências são tomadas como indícios de que a capacidade da atenção é
limitada. Isto é, se a capacidade desse sistema fosse ilimitada, o alvo que envolve
integração de diferentes características poderia ser identificado imediatamente pela
avaliação de cada uma delas simultaneamente, o que não ocorre (Theeuwes, 1994;
Verghese, 2001; Wolfe e Horowitz, 2004). Este tipo de resultado apóia interpretações de que
há um filtro, um gargalo atencional (ver adiante), e tal gargalo localizar-se-ia em estágios
iniciais do processamento da informação, antes da conjunção de características. Entretanto,
estudos posteriores sugeriram que algumas das características dos objetos são integradas
antes do envolvimento da atenção. Desta forma, há evidências de que tanto estágios iniciais
quanto tardios do processamento de informações podem estar sujeitos a gargalos
atencionais de capacidade limitada (Luck e Vecera, 2002).
295

V Curso de Inverno
COMO A ATENÇÃO ATUA NO SISTEMA NERVOSO?
No sistema nervoso toda informação sensorial é transformada em impulso nervoso.
O que significa atender a um objeto?
O estudo da atenção se beneficiou do registro da atividade de células do sistema
nervoso de macacos, durante variantes da tarefa de atenção encoberta. Antes das tentativas
testes, tentativas de instrução informavam ao animal sobre o estímulo alvo e o local a ser
atendido. Para a investigação da atenção nas vias visuais de macacos, um microeletrodo é
introduzido na estrutura candidata, e a atividade extracelular de um neurônio é medida em
diferentes condições de atenção. Inicialmente, o campo receptivo do neurônio é identificado
assim como um estímulo ótimo e um estímulo não-ótimo. A apresentação do estímulo ótimo,
sozinho no campo receptivo, produz uma alta taxa de respostas, enquanto a apresentação
do estímulo não-ótimo produz uma taxa baixa de disparo. A apresentação simultânea dos
dois estímulos produz uma atividade média. Nesta condição a célula não pode representar
os dois estímulos ao mesmo tempo; assim, há uma competição pela representação dos
estímulos. A atenção seria responsável pela resolução desta competição. Isto é, orientar a
atenção para um dos estímulos faz com que a célula responda a este estímulo como se ele
estivesse sozinho no campo receptivo; como se atender a um dos estímulos filtrasse a
influência do outro estímulo (Figura 2) (Gazzaniga et al., 1998; Aston-Jones et al., 1999).
Este tipo de influência atencional já foi demonstrado em diversas estruturas do sistema
visual (Reynolds e Chelazzi, 2004).
Outros estudos envolvendo registro da atividade de células em diversas estruturas
nervosas do sistema visual em macacos despertos fornecem evidências de que as células
nervosas aumentam a taxa de disparo a um único estímulo quando a atenção é orientada
para seu campo receptivo, comparado à taxa de respostas ao mesmo estímulo quando a
atenção está fora do campo receptivo. Este tipo de influência atencional não se aplica a
todos os estímulos e depende da relação entre o estímulo e o ruído que o cerca (ver a
seguir). Também, num subcomponente do sistema visual, conhecido por via ventral, a
modulação atencional é restrita a uma faixa de contraste dos estímulos - para detalhes ver
revisões de Reynolds et al. (2000) e Treue (2001).
Até aqui foram discutidas as alterações da resposta da célula durante a apresentação
do estímulo nas diferentes condições de orientação da atenção espacial. Mas pode-se
realizar também registros que envolvem populações de neurônios.
Muitos estudos sugerem que a seleção atencional pode direcionar-se a características
específicas dos estímulos. Evidências de seleção por características foram obtidas num
experimento clássico utilizando-se a tomografia por emissão de pósitrons. A tomografia
produz imagens do fluxo sanguíneo regional nas diferentes porções do sistema nervoso. Os
efeitos atencionais são avaliados pela diferença entre a imagem produzida durante o
desempenho da tarefa com engajamento atencional e a imagem produzida durante o
desempenho da mesma tarefa, porém sem engajamento atencional; admite-se que essa
296

Fisiologia do Comportamento
subtração permita identificar as estruturas necessárias para o engajamento da atenção. No
estudo mencionado, os indivíduos tinham que prestar atenção a diferentes características
(cor, forma ou velocidade do movimento) de um mesmo conjunto visual. Diferentes regiões
do córtex extraestriado eram ativadas quando os sujeitos atendiam a diferentes
características do mesmo conjunto, resultados que não podem ser explicados invocando-se
a atenção espacial, pois o direcionamento da atenção era alternados entre diferentes
atributos do mesmo objeto no mesmo local (Kanwisher e Wojciulik, 2000).
Figura 2 – Efeito da atenção na resposta eletrofisiológica de um neurônio na área V4 de um
macaco. As áreas delineadas pela circunferência tracejada indicam a região atendida, o estímulo
ótimo é a barra em azul e a barra branca é o estímulo não ótimo. Quando o animal atende ao
estímulo ótimo, o neurônio exibe uma resposta máxima, enquanto a resposta gerada por atender ao
estímulo não-ótimo é menor. Quando a atenção é orientada para fora do campo receptivo, a atividade
registrada é intermediária.
A modulação atencional baseada em características ultrapassa os limites do campo
receptivo de células sensoriais na via dorsal de macacos. A resposta de neurônios do córtex
temporal, MT, a um estímulo que se desloca num sentido preferido é maior quando o animal
está atendendo ao estímulo do que em relação ao deslocamento num sentido não preferido,
mesmo quando o estímulo atendido está longe do campo receptivo da célula registrada. Isto
é, atender a uma característica, tal como a direção de um movimento, parece aumentar a
responsividade de todos os neurônios que respondem preferencialmente a esta
característica, e não somente daqueles cujos campos receptivos incluem o estímulo
atendido (Treue, 2001). Talvez este mecanismo seja mobilizado durante a tarefa de busca
visual.
297

V Curso de Inverno
Figura 3 – Durante o desempenho da tarefa de atenção visual encoberta a amplitude do
registro eletroencefalográfico relacionado ao estímulo atendido é maior do que aquele observado
para o estímulo não atendido (Hillyard et al., 1998).
CONTEXTOS TEÓRICOS/EXPERIMENTAIS
Luck e Vecera (2002) discutiram algumas questões específicas relacionadas à
atenção, que merecem comentário:
Recursos Limitados - É comum a noção de que a atenção não é capaz de processar
todos os estímulos presentes no ambiente. Direcionar a atenção envolve a alocação de
recursos, que seriam limitados, para o processamento de alguns estímulos; assim, quando a
atenção está engajada no processamento de alguns estímulos, haveria limitações ao
processamento de outros estímulos. Porém, existem propostas alternativas.
Ruído na decisão - Considere a situação de busca visual, na qual cada elemento
distrativo que possui uma característica do estímulo alvo é uma fonte de “ruído”, que é
considerada para a decisão sobre se o estímulo é um alvo ou um distraidor. Quanto maior o
número de decisões envolvidas maior a possibilidade de se cometer erros, ainda que
houvesse um observador ideal, sem limitações na capacidade de processamento. De
acordo com esta concepção, a atenção aumentaria o valor da representação do estímulo em
estágios pós-perceptuais, diminuindo a influência do ruído.
Gargalo no processamento da informação - Apesar do sistema sensorial ter uma
capacidade enorme de processamento, assim como o sistema de memória de longa
298

Fisiologia do Comportamento
duração, haveria um processo intermediário, um gargalo atencional, que só lidaria com uma
informação por vez. A discussão sobre se a seleção ocorreria nos estágios iniciais (nos
processos sensoriais) ou em níveis mais elevados de processamento da informação persiste
por décadas. Há evidências fisiológicas de seleção nos estágios iniciais; entretanto, há
também evidências de que ela ocorre em processos pós-perceptuais. Assim, parece que o
gargalo pode acontecer em diferentes estágios.
O problema da integração de características - Um mesmo lugar do espaço
corresponde ao campo receptivo de várias células que processam características diversas,
por exemplo, estímulos horizontais, verticais, vermelho e verde. Quando dois estímulos são
apresentados neste espaço, a atenção seletiva seria a responsável pela integração da
informação das diferentes células de verde e horizontal para um objeto e vermelho e vertical
para o outro.
Ruído interno - Em algumas situações a atenção parece simplesmente aumentar o
valor da representação dos estímulos, mas em outras situações este mecanismo não seria
eficaz. Assim, este tipo de influência seria funcional quando o estímulo está cercado por
pouco ruído e o ruído interno predomina. O ruído interno (ineficiências de processamento)
envolveria aleatoriedades neurais e limitações na codificação das propriedades dos
estímulos, além da perda de informações durante sua transmissão.
A atenção desempenha um papel fundamental no comportamento animal. A questão
central relaciona-se a como e porquê um estímulo particular, numa miríade de estímulos,
recebe processamento preferencial. As tarefas comportamentais que vêm sendo
desenvolvidas para estudos da atenção em laboratório vêm permitindo investigar a atenção
assim como os substratos neurais nela envolvidos. Isso vem permitindo o desenvolvimento
de elaborações teóricas sobre a natureza desta função e como a mesma se relaciona ao
funcionamento do sistema nervoso. Embora não haja consenso sobre sua definição e o
termo “atenção” seja utilizado para referência a múltiplos processos cognitivos distintos, tem
havido progressos significativos na sua compreensão, o que deverá acelerar-se nas
próximas décadas. Esse processo deverá contribuir para um entendimento mais unificado
do funcionamento do sistema nervoso e suas propriedades.
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Wolfe JE, Horowitz T (2004) What attributes guide the deployment of visual attention and how do they
do it? Nature Reviews Neuroscience, v.5, n.6, p.495-501.
Revisado por Gilberto Xavier
300

Fisiologia do Comportamento
Causa e Função
Pedro Leite Ribeiro
Laboratório de Ecofisiologia e Fisiologia Evolutiva
pedrolribeiro@gmail.com
Apoiado numa trama de galhinhos de uma trepadeira, a uns 15 cm do solo, um ninho
de tico-tico abriga um só filhote, na primeira semana de vida. Está sossegado, talvez
dormindo, protegido do sol de verão pela folhagem acima. De repente, bem rápida, chega a
tico-tico e habilmente pousa na beirada do ninho. Ato contínuo, o filhote se ergue, pescoço
esticado para cima, o bico escancarado. A fêmea, agitada ou apressada, mete o bico goela
adentro do pidão, retira-o, e girando o corpo, voa para trás, na direção de onde chegou. Não
ficou nem um instante para descansar do sol dardejante de verão. Alguns minutos depois,
ela chega de novo: mais uma refeição. Mais alguns minutos e a cena se repete. No entanto,
ela não vai à exaustão total, e acaba descansando um pouco. O macho não apareceu por ali
(Robert et al, 1961).
A um metro dali, uns 15 cm abaixo da superfície do solo, enclausurada na câmara que
construiu, uma saúva fêmea, conhecida popularmente pelos nomes de içá e tanajura, põe
mais um ovo de alimentação. Não é um ovo normal, do qual eclode uma larva. É bem maior
e é mole, em contraste com a casca dura dos ovos de procriação. Dobrando-se
ventralmente, leva as mandíbulas até a abertura de seu ovipositor, de onde o ovo vem
saindo, pinça-o com precisão, desdobra-se e o coloca delicadamente na boca de uma das
várias larvas que estão todas juntas. O segura ali enquanto a larva vai sorvendo sua
refeição (Autuori, 1940).
Bem mais longe, uma outra fêmea, uma mulher, engata a primeira marcha em seu
carro e parte para o shopping center. Na lista que leva na bolsa estão anotados vários itens,
incluindo fraldas, mamadeira, chupetas, leite em pó e um carrinho de bebê. Enquanto dirige,
ela pensa na lista, e faz cálculos de dinheiro. Fica preocupada e percebe que vai ter de
pagar com o cartão de crédito. Ao pensar em cada item, aparece em sua mente a imagem
de um bebê: ela sorri.
Os esforços desmedidos que tantas fêmeas, e também alguns machos, de aves e
outras classes de animais - fazem em favor de suas crias, em evidente desfavor de sua
própria sobrevivência, recebem uma explicação simples da teoria da evolução. Elas estão
cuidando da sobrevivência de seus genes. Foram selecionadas. Se as fêmeas de tico-tico
ficassem descansando na sombra, evitando as fadigas da busca de comida para seus
filhotes, seu dispêndio de energia seria muito menor e correriam menos riscos; porém,
perderiam a prole. Seu cálculo da relação entre custos e benefícios não se completa no
balanço energético de seus próprios organismos; ele inclui a descendência como parte
decisiva da equação. Abandonando o ninho, as tico-ticos estariam melhor, precisariam de
menos alimentos para si mesmas, mas não transmitiriam esse comportamento (egoísta?) a
301

V Curso de Inverno
qualquer descendente. O cálculo da formiga é um pouco diferente, mas essencialmente o
mesmo. Fazendo o enorme esforço da fundação de um formigueiro, jejuando durante
meses, vivendo de reservas, inclusive absorvendo seus músculos alares, ela não está
trocando uma vida mais fácil pela procriação. Ela é incapaz de sair da câmara subterrânea
onde se encerrou e buscar comida na superfície. E se não construísse a câmara, ficaria
perambulando pelo solo até ser morta ou morrer de inanição (Autuori, 1942, 1941). Sua
única chance de viver depende de conseguir que suas filhas dêem início a um novo
formigueiro. A tico-tico teria uma ou duas novas oportunidades na mesma estação e outras
mais no ano seguinte. Assim como fêmeas férteis dão origem a fêmeas férteis enquanto
fêmeas estéreis não dão origem a nada, mães extremadas dão origem a mães extremadas,
enquanto mães omissas não dão origem a ninguém; são pontos terminais de linhagens. A
função do ovário e de todo o conjunto de órgãos e processos que resultam na produção dos
ovos completa-se com o comportamento reprodutivo. A função de um órgão só se completa
com o comportamento que o usa.
O estudo funcional do comportamento é a busca de suas conseqüências para a
sobrevivência e para a reprodução. É no exame do contexto adaptativo e dos efeitos do
comportamento que podemos descobrir suas funções. Entendido o organismo como um
sistema que está configurado para manter-se e reproduzir-se, com a manutenção
subordinada à reprodução, é no entendimento do papel de cada comportamento que se dá o
estudo funcional. É comum que os estudantes de Psicologia e Biologia sintam certo malestar
com o conceito de função por causa de sua proximidade com as idéias de meta, fim,
finalidade, propósito e objetivo. Trata-se de um desconforto filosófico, em face do justo
receio de adotar uma visão teleológica da evolução, como se o futuro pudesse determinar o
passado. Tal inquietude, no entanto, decorre de um exame superficial do conceito de função.
É claro que é uma tolice rematada conceber a evolução como um desígnio divino, algo
como a realização de um projeto ou o desdobramento de um plano de alguma forma
presente desde sempre. Uma das muitas notáveis propriedades da mente humana é a sua
habilidade de decifrar as intenções por trás do comportamento alheio. Essa faculdade, tão
adaptativa nas relações sociais, facilmente transborda de seu uso funcional levando-nos à
ilusão de perceber intencionalidade e consciência onde elas não existem. Programando
engenhosamente a movimentação de alguns pequenos círculos numa tela de computador, o
leitor poderá demonstrar a um observador sua tendência a interpretar a movimentação como
se houvesse um enredo de fugas e perseguições. Ora, ao aprender que o estudo científico
não pode deixar-se contaminar ingenuamente pela subjetividade, o estudante pode hesitar
quando se depara com o conceito de função. Contudo, é preciso entender que a Ciência
pode adotar termos de uso corrente sem trazer suas conotações e implicações. A
descoberta de que o canto do tico-tico tem a função de proteger seu território e seduzir as
fêmeas não significa que ele tenha de seu comportamento a mesma consciência que tem
um ser humano em situações análogas. Assim como não há erro conceitual em descrever
302

Fisiologia do Comportamento
as peças de um automóvel dizendo qual é o objetivo de cada uma delas, ou dizer que um
robô procura e usa a tomada para recarregar, ou com o objetivo de recarregar sua bateria,
assim também não há teleologia em reconhecer que a evolução criou organismos dotados
de recursos que dão conta de sua manutenção e reprodução agindo como se estivessem
sendo controlados pelas conseqüências de suas ações.
O controle de suas ações, no entanto, aquilo que os leva a fazer o que fazem a cada
momento, constitui um outro tipo de fenômeno, que devemos chamar de causas do
comportamento. O que leva a içá a fazer cada um de seus movimentos são os estímulos do
ambiente e de seu próprio corpo, seus hormônios e as programações de seu sistema
nervoso. Portanto, a pergunta "por que a içá alimenta as larvas?" tem duas respostas, uma
funcional e outra causal. A observação de que as larvas de formigas são inertes, incapazes
de se alimentarem sozinhas, terá valor no plano funcional. Já a indagação "será que as
larvas dão algum sinal de suas necessidades, ou a produção de ovos de alimentação
obedece a um programa que independe do estado das larvas?" cabe no plano causal.
Investigar se a quantidade de testosterona afeta a freqüência ou a intensidade do canto do
tico-tico é um estudo causal. Já o efeito do canto sobre a preservação do território é uma
questão funcional. Note-se que esse mesmo canto deve também ser entendido como
estímulo que atinge os ouvidos dos machos rivais. Examinado dessa forma, em busca de
como ele controla as ações dos rivais, por exemplo, fazendo-os mais ou menos agressivos,
o canto está dentro de um estudo causal.
Niko Tinbergen, prêmio Nobel de 1973, organizou o estudo do comportamento em
quatro tipos de resposta à pergunta por quê. A resposta causal, a funcional e mais duas que
não serão aqui examinadas. Filogênese: por que está espécie tem esse comportamento?
Como evoluiu? Como se comportavam seus ancestrais? Quais foram as pressões seletivas
que o moldaram? Ontogênese: o repertório comportamental de uma espécie não surge todo
no recém-nascido. Como se dá seu desenvolvimento? Por que tal comportamento aparece
em tal idade? Qual é o papel do aprendizado?
O entendimento da diferença entre causa e função serve bem para evitar confusões
conceituais. O esclarecimento da função de um comportamento não resolve o problema
funcional, mas é útil para gerar hipóteses sobre os fatores que atuam sobre ele. Existem
mariposas que subitamente, em pleno vôo, deixam-se cair como se tivessem sido
mortalmente feridas. Alguns segundos depois, antes de atingirem o solo, elas recobram seu
vôo normal. A descoberta de que a função desse comportamento é protegê-la do ataque de
morcegos leva-nos a buscar algum órgão receptor do ultra-som usado pelos morcegos em
seu sistema de ecolocação.
Em condições normais, no ambiente natural, os fatores causais e as funções têm um
entrosamento admirável. A receptividade sexual acontece quando o organismo está pronto
para a reprodução, apetites específicos quando ocorrem carências específicas, a sede
quando falta água, e assim por diante. Sim, esse entrosamento torna-se admirável quando
303

V Curso de Inverno
se apreende bem a noção de que uma função não produz por si só o comportamento
correspondente. Não é óbvio que a falta de água leve o animal a beber. Entre a falta de
água nos tecidos e as atividades de procurá-la e ingeri-la, é necessária a ação de fatores
causais adequados, a começar pelo reconhecimento correto do objeto, ou seja, o animal
deve engolir água e não areia ou flores. E deve tomá-la e não atacá-la com mordidas. A
compreensão da diferença entre causa e função tem a virtude de problematizar o
comportamento.
Em condições anormais, seja no ambiente natural seja no laboratório, causas e
funções podem desencontrar-se, revelando de forma dramática como é notável o
entrosamento normal. Lesões do hipotálamo lateral tornam os ratos inapetentes a ponto de
morrerem de inanição com comida abundante ao seu alcance. As vítimas humanas de
anorexia entendem bem a diferença entre precisar de comida e ter fome. Drosófilas
mutantes sem asas movem as patas traseiras como se as estivessem limpando. Alguns
cães domésticos dão uma volta em torno do lugar onde estão prestes a deitar-se para
dormir. Há pelo menos um caso bem documentado de cópula entre um chimpanzé e uma
fêmea babuína. E temos também que estar preparados para encontrar comportamentos cuja
função principal não é sua única função, como a sexualidade dos bonobos que, em
condições normais no ambiente natural, inclui rotineiramente relações entre machos, entre
fêmeas e entre adultos e jovens impúberes. Há alguns casos documentados de adoção
interespecífica (Otoni et al in press). No comportamento lúdico, tão comum em mamíferos,
mas presente também em aves, os jovens fazem coisas de adultos, fora tanto do contexto
funcional como do causal.
Assim como nossa capacidade empática pode induzir-nos ao erro de antropomorfizar
o comportamento animal, os animais também têm seus transbordamentos motivacionais.
Tais exceções não devem ofuscar o extraordinário ajuste entre causas e funções sem o qual
não haveria manutenção nem reprodução.
Dias antes daquela ensolarada manhã em que a tico-tico cuidava de buscar comida,
ela vinha sendo furtivamente observada por uma fêmea de chupim. Se a percebesse, a ticotico
talvez tivesse ido embora, abandonando o ninho, para fazer outro em lugar mais seguro.
Não a viu, e a chupim conseguiu botar um ovo junto aos seus. Por predação ou furados pela
chupim, os ovos perderam-se todos, menos um, o da chupim. Foi vã toda a dedicação da
tico-tico. Explorando o sistema causal da hospedeira, a chupim logrou desvirtuar a função
do comportamento da tico-tico, em seu benefício. O parasitismo comportamental é uma lição
fascinante acerca dos modos como o comportamento é controlado. A tico-tico vai continuar a
cuidar do chupim como se fosse seu filho até sua independência, mas terá novas chances
nos anos seguintes (Buzzetti, 2004).
A içá que alimentava as larvas com ordem e precisão perdera a pequena porção de
fungo que pegou do ninho onde nasceu e trouxe na bolsa infrabucal. Essa pelotinha de
fungo era essencial. Ela ia depositá-la com todo o cuidado no chão da câmara, e depois
304

Fisiologia do Comportamento
meticulosamente alimentá-la com suas fezes e fazê-la prosperar. Sem esse jardim de fungo,
seu esforço é vão. Ela continuará a alimentar as larvas, que se tornarão pupas e depois
obreiras que vão cavar um túnel para cima e procurar alimento na superfície. Porém, sem
fungo, o alimento será inútil e mãe e filhas não vão durar muito. Mesmo tendo perdido o
fungo, a içá continuou a responder aos estímulos presentes. Não existe nenhuma
possibilidade de a seleção natural operar e cancelar essa inércia comportamental.
O bebê cuja lembrança fez sorrir a mulher que ia ao shopping center preocupada com
a despesa não é seu filho. É filho de uma amiga, mãe solteira, que está sem dinheiro. O filho
foi planejado. Ela tinha um bom emprego. Não queria casar-se e procurou um homem com o
único fim de ter o filho. Perdeu o emprego e sua vida ficou complicada. A amiga, solidária,
está feliz de poder ajudar. A complexidade do comportamento humano é um desafio para a
análise de causas e funções. O comportamento da mulher que presenteia não parece ser
um excesso de cuidados maternais. Lembra mais os comportamentos altruístas de
fortalecimento de vínculos interpessoais, comuns em animais sociais. Já o comportamento
da mãe, ao planejar o filho, parece inverter ou fundir a relação entre causa e função.
Diferentemente de qualquer outro animal, ela conhece a relação entre a cópula e a gravidez
e entre esta e o nascimento de uma criança. Mesmo que tivesse aversão ao ato sexual, ela
poderia lançar mão da inseminação artificial. O filho, neste caso imaginário específico, não é
a conseqüência desconhecida ou desconsiderada da atividade sexual. Isso foi assim, na
pré-história, antes de nossos ancestrais descobrirem a relação entre sexo e procriação. No
caso que estamos examinando, a reprodução é uma causa dos comportamentos da mãe.
Pode-se fazer uma analogia com o comportamento de busca de algo perdido, que muitos
animais são capazes de fazer. Uma fêmea que se perca de seu filhote e saia a procurá-lo
também constitui um caso em que a distinção entre causa e função fica reduzida ou
anulada. A memória e a capacidade cognitiva permitem que um animal se comporte em
relação a um objeto do qual não recebe qualquer estimulação. O comportamento nesse
caso tem a função de encontrar o objeto que é também parte de suas causas.
Em nós, humanos, a cultura trouxe alterações importantes tanto ao plano
causal quanto ao funcional. Ela não destruiu os sistemas que operavam antes de sua
origem. Ela os transformou em algo que ainda não conseguimos entender. Curiosamente, a
cultura criou os recursos que nos permitem organizar o pensamento científico e com ele
progredir no entendimento do que fazem os outros animais, mas não se revela facilmente a
si mesma. As próprias causas e funções de seu desenvolvimento constituem um desafio
difícil que ainda é objeto de debate entre os que se dedicam a elucidá-las. Com métodos de
observação e experimentação cada vez mais refinados, biólogos e psicólogos vêm
progredindo de modo acelerado no estudo do comportamento animal e humano. A pergunta
"Por que esse animal está se comportando desse modo?" recebe respostas cada vez mais
amplas e convincentes. Quando trocamos animal por ser humano nessa indagação, as
respostas são mais hesitantes, porém o progresso é indiscutível, e as próximas décadas
305

V Curso de Inverno
deverão proporcionar descobertas fascinantes.
Referências Bibliográficas
Autuori M (1940). Algumas observações sobre formigas cultivadoras de fungo (Hym. Formicidae).
Revista de Entomologia V 11.
______ (1941). Contribuição para o conhecimento da saúva (Atta spp.). I. Evolução do sauveiro (Atta
sexdens rubropilosa Forel, 1908). Arquivos do Instituto Biológico São Paulo, v.12, p.197-228.
______ (1942). Contribuição para o conhecimento da saúva (Atta spp.-Hymenoptera-Formicidae). III.
Escavação de um sauveiro (Atta sexdens rubropilosa Forel, 1908). Arquivos do Instituto
Biológico São Paulo, v.13, p.137-148.
Tinbergen N (1963). On Aims and Methods in Ethology. Zeitschrift für Tierpsychologie, 20: 410-433;
Robert K (1961). Interspecific Preening Invitation Display of Parasitic Cowbirds. A Quarterly Journal of
Ornithology.
Buzzetti D (2004). Nurturing new life. Ed. Terceiro nome.
Revisado por Gilberto Xavier
306

Evolução de Sistemas Fisiológicos
Capítulo 7
Evolução de Sistemas
Fisiológicos
Autores:
Antonio Carlos da Silva
Fábio de Andrade Machado
Flávio da Silva Nunes
Ivan Prates
Meirielen Caroline da Silva
Monique N. Simon
Pedro Leite Ribeiro
Renata Brandt Nunes
Tatiana Hideko Kawamoto
Vânia Regina de Assis
307

308
V Curso de Inverno

Evolução de Sistemas Fisiológicos
Fisiologia Evolutiva: contexto histórico e fundamentos
Monique N. Simon
Laboratório de Ecofisiologia e Fisiologia Evolutiva
msimon@ib.usp.br
“Todos os fisiólogos, com efeito, admitem que a especialização dos órgãos é uma
vantagem para o indivíduo, no sentido que, neste estado, os órgãos desempenham melhor
suas funções; em conseqüência, acúmulo das variações tendentes à especialização é da
alçada da seleção natural. Por outro lado, se for cogitado que todos os seres organizados
tendem a se multiplicar rapidamente e a se apoderar de todos os lugares desocupados, ou
pouco ocupados na economia da natureza, fácil nos é compreender ser muito possível que
a seleção natural prepare gradualmente um indivíduo para uma situação na qual muitos
órgãos lhe serão supérfluos e inúteis; neste caso haveria uma real retrogradação na escala
da organização.”
Charles Darwin
Reflexões sobre a evolução da função de órgãos e sistemas fisiológicos não são
recentes para a comunidade científica. Um exemplo categórico está nas palavras de Charles
Darwin em seu famoso livro “A Origem das Espécies e a Seleção Natural” publicado em sua
primeira edição em 1859. Apesar de Darwin ter dado bastante ênfase aos caracteres
morfológicos e comportamentais dos organismos ao propor a seleção natural como o
mecanismo da evolução, algumas passagens do livro (como por exemplo a exposta acima)
referem-se à fisiologia, inserindo-a em um contexto ecológico. O parágrafo acima demonstra
a clareza com que Darwin percebia a evolução de caracteres fisiológicos, pois compreendia
que os organismos não evoluem em uma única direção (para o aumento da especialização),
mas sim para múltiplas direções dependendo das condições ambientais.
Apesar do antigo interesse de diversos pesquisadores no tema, os evolucionistas
americanos Garland e Carter (1994) consideraram que houve uma grande expansão na
área denominada ‘fisiologia evolutiva’ a partir de 1970. Os estudos anteriores à essa
década, realizados por pesquisadores das áreas de fisiologia comparativa e ecofisiologia,
descreviam caracteres fisiológicos como funções de variáveis ambientais (isto é, a
capacidade de se alterar a fisiologia diante de mudanças ambientais), mas não descreviam
a variabilidade desses caracteres em populações naturais nem o quão herdáveis eram
esses caracteres. O maior enfoque na variabilidade e na herdabilidade (características
primordiais para a evolução) surgiu com o avanço tecnológico e teórico na área: uso de
programas de análise filogenética e de estudos de seleção, e incorporação de conceitos da
genética de populações e da genética quantitativa. Portanto, as variáveis estudadas são as
mesmas da fisiologia comparativa e da ecofisiologia, o que muda é o contexto analítico, as
309

V Curso de Inverno
abordagens adotadas para a compreensão da evolução de sistemas fisiológicos (Bradley e
Zamer 1999).
Garland e Carter (1994) e Feder e colaboradores (2000) destacam o artigo de
Stephan Jay Gould e Richard Lewontin, publicado em 1979, como um marco conceitual
dentro da fisiologia evolutiva, um verdadeiro divisor de águas. No artigo “The sprandels of
San Marco and the Panglossian paradigm: a critique of the adaptacionist programme”, Gould
e Lewontin criticaram o que denominaram como ‘programa adaptacionista’: a pré-concepção
de que todos os padrões de caracteres biológicos resultam de adaptação. De maneira mais
direta: contrariaram o hábito de se considerar tudo como uma adaptação desde o início.
Os autores ponderaram que o programa adaptacionista determina a seleção natural
como uma força muito poderosa e única agindo sobre os indivíduos. Essa idéia contradiz o
que o próprio Darwin afirmava: “Estou convencido de que a seleção natural é a maneira
principal, mas não exclusiva de modificação”. Os estudos que se enquadram nesse
paradigma, nesse modo de pensar, utilizam como único critério para aceitar uma
determinada explicação evolutiva a consistência com a seleção natural. Gould e Lewontin
defenderam que explicações alternativas à idéia de que ‘toda parte do organismo tem um
propósito’ devem ser pensadas.
Um bom exemplo dado por eles é o do Tyranosaurus: tenta-se explicar a existência
de membros anteriores reduzidos em Tyranosaurus de diversas maneiras, sendo uma delas
o uso pelo animal dos pequenos braços para se levantar. Gould e Lewontin enfatizaram que
não era preciso ver o encurtamento dos braços como sendo exclusivamente uma
adaptação. Provavelmente era uma conseqüência inevitável de padrões alométricos
(alometria: estudo das proporções do corpo dos organismos em relação ao seu tamanho
total) de aumento da cabeça em relação aos membros anteriores. Ainda advertiram que não
se deve confundir o uso atual de uma estrutura com sua função original, já que os
caracteres podem ser mantidos por pressões seletivas diferentes das que os originaram.
O artigo de Gould e Lewontin perpetuou um maior rigor evolutivo nos estudos em
fisiologia e uma transição de modelos dedutivos-especulativos (dificilmente testáveis) para
modelos dedutivos-hipotéticos, com a possível falseabilidade das hipóteses e adoção de
explicações alternativas. Com essa mudança de paradigma na fisiologia evolutiva, novas
perguntas foram estabelecidas assim como novas abordagens. Dentre suas questões
capitais estão (Feder e colaboradores 2000):
(1)Quais são os padrões históricos, ecológicos e filogenéticos da evolução
fisiológica?
Quando contextualizamos as espécies em padrões filogenéticos determinamos o
estado ancestral dos caracteres e sua taxa de mudança evolutiva, e aceitamos que a
mudança evolutiva de um caracter (detectado no descendente) relaciona-se com seu estado
ancestral. Um caracter existente em determinada espécie pode ter sido originado no
ancestral e mantido/modificado no descendente pelas mesmas pressões seletivas, por
310

Evolução de Sistemas Fisiológicos
outras pressões, ou mesmo ter expressão neutra diante da seleção natural (ou seja, não ser
‘visto’ pela seleção natural por não interferir no sucesso reprodutivo do indivíduo). Ou,
alternativamente, um caracter pode ser mantido/modificado no descendente por outros
fenômenos evolutivos, que não estão necessariamente relacionados com o sucesso
reprodutivo do indivíduo.
A fisiologia evolutiva considera as alterações de caracteres fisiológicos em um
contexto evolutivo, levando em conta a história natural das espécies, sua ecologia e suas
relações filogenéticas. As variáveis estudadas a partir dessa perspectiva possuem agora
uma história, fazem parte de um contexto mais amplo que é a evolução das espécies.
(2) Quão importantes são os processos evolutivos em facilitar ou limitar a
evolução fisiológica?
Questionamentos desse tipo mostram claramente a incorporação de elementos da
biologia evolutiva na fisiologia, principalmente provindos da genética de populações e da
genética quantitativa. A genética de populações utiliza diversos parâmetros para determinar
como evoluíram os genes ou conjuntos de genes dentro de uma população. Esses
parâmetros são tamanho populacional, variação genotípica e fenotípica, herdabilidade,
sobrevivência e reprodução diferenciais, taxas de mutação gênica, freqüência de alelos,
entre outros. Os estudos em fisiologia evolutiva principiaram a utilizar esses parâmetros a
fim de se concluir sobre quais condições naturais de uma população originaram e/ou
mantiveram um certo caracter fisiológico.
A genética de populações expandiu o horizonte de fenômenos evolutivos ressaltados
pela fisiologia para além da seleção natural. Os autores passaram a se interessar por outros
processos, como deriva genética, restrição evolutiva e compromisso evolutivo, e a
considerá-los como mais importantes que a seleção natural em certos casos. Deriva
genética é um processo evolutivo no qual as freqüências de alelos de genes mudam
estocasticamente (ou seja, as probabilidades dos eventos são indeterminadas). A fixação ou
desaparecimento de certos alelos na população ocorre como um fenômeno estocástico,
impassível de previsão e sem a ação de pressão seletiva. A deriva genética é mais comum
em populações pequenas nas quais o processo de especiação origina-se-se de um número
pequeno de indivíduos. Processos de migração e desastres naturais podem levar uma
pequena parcela de uma população a se isolar, e assim, evoluir a partir de número muito
reduzido de indivíduos.. Utiliza-se a idéia de ‘gargalo de garrafa’ para se visualizar o que
ocorre com a freqüência de alelos em uma população que se tornou pequena (Figura 1).
311

V Curso de Inverno
Figura 1 - Efeito gargalo: as bolas
coloridas representam alelos de genes e o
copo representa o isolamento reprodutivo. O
gargalo limita drasticamente a variabilidade
de alelos presentes na população isolada.
O gargalo representa a drástica redução da variabilidade de alelos quando uma
pequena população se isola. O isolamento não precisa ser necessariamente geográfico,
mas precisa ser um isolamento reprodutivo (ou seja, impedimento do fluxo gênico). A deriva
é um processo muito mais veloz que a seleção natural na especiação, e pode até mesmo
fixar um alelo na população que é prejudicial para o sucesso reprodutivo dos indivíduos.
Uma restrição evolutiva (“evolutionary constraint” em inglês) restringe os possíveis
caminhos e modos de mudança evolutiva. Restrições podem ser agrupadas em duas
categorias: filogenéticas e de arquitetura. A restrição filogenética refere-se à impossibilidade
de origem/mudança de caracteres devido à dependência que os descendentes apresentam
com seus ancestrais (inércia filogenética). Ao longo da evolução, certos caracteres/padrões
originam-se e permanecem/mudam enquanto outros desaparecem para uma determinada
espécie, ou seja, o caminho evolutivo vai sendo trilhado. Após certa distância não é mais
possível realizar o caminho inverso e adquirir qualquer caracter/padrão. A inércia filogenética
explica porque moluscos não voam e porque nenhum inseto é tão grande quanto um
elefante.
Restrições de desenvolvimento compõem uma subcategoria de restrição filogenética.
Em organismos complexos, de alta integração das partes, estágios iniciais da ontogenia
(embrião, por exemplo) são marcadamente refratários à mudança evolutiva. Isso se dá,
presumivelmente, por conta de os processos de diferenciação dos órgãos e dos sistemas, e
sua integração, constituírem um fenômeno delicado, muito suscetível a erros precoces que
levam à morte. Como alterações que interferem no desenvolvimento geralmente levam à
morte do indivíduo, a mudança não se perpetua nos descendentes. As mudanças que
podem ocorrer ao longo do desenvolvimento são restritas.
A segunda categoria de restrição evolutiva refere-se às restrições de arquitetura, que
diferentemente das restrições filogenéticas, não são fruto da relação ancestral-descendente,
mas sim provindas de propriedades da constituição e da estrutura dos organismos. Pode-se
imaginá-la como uma restrição ‘interna’ aos organismos. Gould e Lewontin (1979)
exemplificaram esse tipo de restrição com a própria arquitetura: se se desejasse construir
uma estrutura na qual dois arcos são justapostos, uma conseqüência inevitável é o
312

Evolução de Sistemas Fisiológicos
surgimento de estruturas triangulares entre os arcos. Os triângulos que surgem não podem
ser quadrados ou retângulos, mas somente triângulos (Figura 2). Se houvesse uma pressão
seletiva para transformar esse triângulo em um quadrado, nessa estrutura de arcos
justapostos, ela não sucederia – uma restrição foi imposta. Uma restrição de arquitetura
limita os caminhos evolutivos pela impossibilidade estrutural ou de constituição física de
certos caracteres responderem a determinadas pressões seletivas.
Figura 2 - Restrição de arquitetura.
A foto da catedral de São Marco foi
utilizada por Gould e Lewontin (1979)
para exemplificarem uma restrição de
arquitetura. A figura ao lado mostra
graficamente o aparecimento inevitável
de um triângulo quando dois arcos são
justapostos.
A idéia de compromisso evolutivo (‘evolutionary tradeoff’) está associada à
genética quantitativa, ciência que foi criada para se compreender as bases genéticas de
caracteres contínuos (de escala contínua, ou seja, qualquer intervalo da escala tem infinitos
valores intermediários – temperatura, por exemplo, em contraponto com a variável discreta/
categórica espécie – não existe 1,5 espécie!). A genética quantitativa assume que os
caracteres contínuos são regulados por muitos alelos, e que cada um tem um pequeno
efeito sobre o fenótipo. Quando há correlação genética entre caracteres, portanto uma
ligação no nível genético entre os mesmos, um compromisso genético pode aparecer. Um
compromisso genético pode ser resultante de pleiotropia, quando um alelo afeta mais de um
caracter. Por exemplo: o desempenho locomotor possui propriedades de velocidade e
resistência. Se um indivíduo sofre pressão em um conjunto de músculos (associados ao
vôo, por exemplo) para atingir uma velocidade ótima, não poderá simultaneamente alcançar
uma resistência ótima. Isso se dá porque as células que constituem os músculos – fibras
musculares – ou aumentam a velocidade (aumento da quantidade de fibras de contração
rápida – brancas) ou aumentam a resistência (aumento das fibras de contração lenta –
vermelhas). Um organismo pode aumentar a velocidade e a resistência simultaneamente,
mas não atingirá o estado ótimo para ambos, já que possuirá em seus músculos uma
proporção de fibras rápidas e lentas.
Um compromisso também pode ser fenotípico, portanto não ter origem em
correlações genéticas e sim fenotípicas. A ligação, portanto, se dá entre fenômenos
fenotípicos. Conhecem-se compromissos fenotípicos de:
• Aquisição: o organismo aumenta o forrageamento – busca por alimento –
mas se expõe mais à predação;
313

V Curso de Inverno
• Alocação: para a manutenção de um mesmo balanço energético, quanto
mais energia metabólica é direcionada para uma parte, menos é direcionada
a outras;
• Especialista-generalista: organismos especialistas possuem desempenho
ótimo em determinadas condições ecológicas, mas são restritos a um
gradiente pequeno de nichos ecológicos, contra organismos generalistas,
que não possuem um desempenho tão ótimo, mas ocorrem em uma ampla
gama de nichos.
O compromisso evolutivo representa a máxima: ‘Ninguém é bom em tudo’.
Deriva genética, restrição evolutiva e compromisso evolutivo são conceitos
fundamentais da fisiologia evolutiva, além de seleção natural e adaptação. A pergunta
seguinte apresenta um dos principais paradigmas da fisiologia evolutiva: o paradigma do
desempenho do organismo.
(3) Como a interação entre genótipo, fenótipo, desempenho e sucesso
reprodutivo influenciam seus próprios valores futuros?
Um objeto clássico da fisiologia é a descrição de cadeias de eventos entre estímulo e
resposta. A elucidação da transdução de sinal e de mecanismos homeostáticos serve de
exemplo. Entretanto, pouco se estudou a recepção de sinais ecológicos e evolutivos por
populações naturais e a manifestação da resposta correspondente – seleção, extinção –
em termos de caracteres fisiológicos. Esse nível de organização mais elevado foi
historicamente menos estudado que níveis menores, como sistemas, órgãos, células e
moléculas.
O indivíduo é uma das principais unidades a responder à seleção natural. O
paradigma do desempenho do organismo mostra como se relacionam genótipo, fenótipo,
desempenho e comportamento (inclusive o reprodutivo, que sofre muita pressão seletiva), e
enfatiza que o desempenho do organismo só faz sentido em um contexto ecológico,
aproximando a fisiologia da ecologia. Esse paradigma está representado na figura 3:
A renovação conceitual dentro da área da fisiologia foi muito frutífera em culminar em
novas perguntas e atingir um nível mais elevado de compreensão da fisiologia geral e da
evolução da fisiologia. A inovação tecnológica também teve sua contribuição na expansão
da fisiologia evolutiva, principalmente através dos estudos de seleção.
Os estudos de seleção permitem a observação da evolução em ação, em tempo real,
e não apenas a especulação de sua atuação através de suas conseqüências. As hipóteses
evolutivas podem ser elaboradas a priori, havendo a migração de uma ciência dedutivaespeculativa
para uma ciência dedutiva-hipotética. Estudos de seleção podem ser
314

Evolução de Sistemas Fisiológicos
conduzidos na natureza ou no laboratório. Estudos em populações naturais medem a
sobrevivência e o sucesso reprodutivo diferenciais dos indivíduos e procura correlacioná-los
com caracteres fisiológicos. Notavelmente, houve pouco interesse na variação intraespecífica
e no significado dessa variação em caracteres fisiológicos.
Figura 3 - O paradigma do desempenho do organismo. O genótipo e o ambiente
interagem através do desenvolvimento na determinação das características fenotípicas primárias dos
organismos, categorizadas em bioquímicas, fisiológicas e morfológicas. Em conjunto, essas
características determinam e limitam o desempenho e as habilidades dos organismos. O
desempenho define a extensão ou os limites das capacidades de um organismo, e o comportamento
indica como um organismo usa essas capacidades. Portanto, variações genotípicas ou fenotípicas
apenas serão sujeitas à seleção se seus efeitos se estendem ao nível do desempenho, e portanto do
comportamento.
A grande inovação, contudo, ocorreu com os estudos de seleção em laboratório.
Esse método permite a replicação de populações em ambientes que foram alterados
propositadamente e de maneira controlada. Um dos grandes problemas de delineamento
experimental (planejamento dos experimentos) em campo é a replicação dos dados.
Experimentos sem réplica são experimentos pouco precisos, ou seja, os valores obtidos
representam mal os valores reais para as variáveis consideradas. Além disso, no campo
apenas se observa um número limitado de gerações.
Apesar das destacadas vantagens dos estudos de seleção, o ambiente de
laboratório não reproduz a complexidade da natureza e os animais utilizados como modelos
para esses estudos (Drosophila, E. coli e C. elegans) não são os tradicionais da área da
fisiologia comparativa. Esses modelos são preferidos em laboratório por se reproduzirem
rapidamente, aumentando o número de gerações relativamente rápido, e cuja manutenção
em condições laboratoriais é mais fácil. Mesmo com essas ressalvas, os estudos de seleção
proporcionam condições fantásticas para o estudo de evolução:
315

V Curso de Inverno
• Análise rigorosa de hipóteses, com a implementação de controles e réplicas;
• Minimização do efeito de deriva genética, pela manutenção de populações de grande
tamanho;
• Preservação dos organismos ancestrais (no caso de bactérias, com nitrogênio
líquido) para mensuração de seu sucesso reprodutivo em direta competição com os
descendentes.
Os fisiólogos americanos Bennet e Lenski (1999) consideram que o diferencial dos
estudos de seleção é sua habilidade de testar hipóteses gerais sobre padrões e
conseqüências da adaptação evolutiva. Através dessa técnica, pode-se testar previsões
sobre hipóteses gerais da fisiologia, como a existência de restrições e compromissos
evolutivos, o surgimento de uma adaptação, além de haver a possibilidade de esmiuçar as
vias fisiológicas envolvidas nas mudanças, identificando alterações nos mecanismos.
A revolução conceitual e tecnológica que ocorreu na área de fisiologia evolutiva abriu as
portas para o estudo de novas questões, fundamentais na fisiologia, de maneira rigorosa.
Voltando à citação inicial de Darwin, percebemos que a idéia da seleção natural como único
processo evolutivo perdurou por muito tempo (apesar do próprio Darwin admitir a existência
de outros processos). Com a renovação conceitual e tecnológica a partir de 1970, a
fisiologia evolutiva passou a enxergar outros processos evolutivos - como deriva genética,
restrição e compromisso, e dar a devida importância a eles como agentes ou limites da
evolução.
Referências Bibliográficas
Bradley, T and WE Zamer (1999) Introduction to the Symposium: What is Evolutionary Physiology?
American Zoologist 39: 321-322.
Garland T and PA Carter (1994) Evolutionary Physiology. Annual Review in Physiology 56: 579-621.
Feder, ME, AF Bennet and RB Huey (2000) Evolutionary Physiology. Annual Review in Ecology
and Systematics. 21: 315-341.
Gould, SJ and RC Lewontin (1979) Tha sprandels os San Marco and the Panglossian paradigm:
a critique of the adaptationist programme. Proceedings of the Royal Society of London B
205: 581-598.
Bennet, AF and RE Zamer (1999) Experimental Evolution and Its Role in Evolutionary
Physiology. American Zoologist 39: 346-362.
Revisado por José Eduardo Pereira Wilken Bicudo
316

Evolução de Sistemas Fisiológicos
Análise de Dados Comparativos
Fábio de Andrade Machado
Museu de Zoologia da USP
f.machado@usp.br
Tatiana Hideko Kawamoto
Laboratorio de Ecofisiologia e Fisiologia
Evolutiva
tatika@usp.br
O termo Métodos Comparativos define atualmente um conjunto de práticas e
técnicas descritivas e analíticas usadas na comparação entre espécies. A aplicação desses
métodos é mais conhecida em estudos de biologia
evolutiva, como as inferências filogenéticas
(Amorim, 1997) e nos estudos sobre adaptações
(Harvey & Pagel, 1991), muito comuns nas áreas
de fisiologia comparativa e evolutiva.
Historicamente, o conhecimento sobre os
organismos vivos sempre se pautou em
comparações. Desde a antiguidade, mais
notadamente nos escritos de Aristóteles,
definições e classificações foram criadas com
base em comparações entre diferentes
organismos. Ao publicar “A Origem das Espécies”
em 1859, Darwin revolucionou o pensamento científico, na época ainda baseado no
essencialismo aristotélico que havia perdurado por muitos séculos, transformando-o em
pensamento evolutivo. É através da análise comparativa de diversas espécies e da
qualidade transicional de diversos caracteres que Darwin fez sua hipótese a respeito da
descendência comum com modificação. A característica naturalística dos métodos
comparativos tem, assim, fortes laços com a proposição da teoria evolutiva de Darwin como
maneira de estudar os padrões e processos encontrados na natureza. O olhar comparativo,
entretanto, sempre permeou o modo dos cientistas interpretarem o mundo. Mesmo antes de
Darwin, em 1798, o Barão Georges Cuvier desenvolveu o Princípio de Correlação de Partes
que através de comparações anatômicas, mesmo sob uma perspectiva não-evolutiva,
permitiram a reconstrução eficaz de diversas espécies fósseis a partir de materiais
extremamente fragmentados. Apesar de não ser usado para a finalidade original, a idéia de
correlações entre partes elaborada por Cuvier ainda hoje faz parte das técnicas aplicadas à
análise de estrutura dos organismos.
Figura 1 - Composição dos elementos
ósseos dos membros anteriores: (A)
humanos, (B) morcegos, (C) baleias e (D)
cavalos.
A concepção atual de biologia moderna apóia-se fortemente na metodologia
comparativa quando o assunto tem enfoque evolutivo. O grande geneticista e um dos
317

V Curso de Inverno
principais articuladores da Teoria Sintética Theodosius Dobzhansky, em uma resposta às
críticas infundadas contra a teoria evolutiva, escreveu um artigo intitulado “Nada em biologia
faz sentido exceto à luz da evolução” (Dobzhansky, 1973), no qual aponta a evolução como
a teoria unificadora da biologia. De fato, se toda a biologia se apóia em um alicerce
evolutivo, o método comparativo é o que sustenta este alicerce, pois é ele que reúne as
metodologias necessárias para se testar qualquer tipo de hipótese evolutiva.
Em estudos de biologia evolutiva é procedimento comum “dividirmos” os organismos
de interesse em partes ou caracteres, sejam estas “partes” comportamentos, funções
metabólicas, aspectos morfológicos, entre outros. Tais caracteres isolados não
necessariamente apresentam significado biológico (sensu Wilkinson, 1995), pois não
correspondem a uma única unidade biológica válida (Lewontin, 1970; Hull, 1980). O sistema
circulatório e o coração são exemplos de unidades biológicas básicas. Para entendermos
melhor esse conceito, vamos avaliar um outro exemplo. Se quisermos estudar a variação
dos tamanhos de cada dígito (dedo) em diversas espécies de mamíferos podemos fazê-lo,
mesmo que esta informação não seja totalmente isolada e livre de efeitos de covariação.
Considerando que o tamanho de dígitos varia em amplitude entre diferentes mamíferos,
podendo ser grandes em primatas e, de modo extremo, em morcegos (Figura 1.A-B), muito
reduzidos em baleias (Figura 1.C) ou ausentes em espécies de ungulados (Figura 1.D),
medir independentemente cada um dos dígitos pode fazer sentido. Entretanto, morcegos
maiores previsivelmente, possuirão dígitos maiores que morcegos menores como resultado
simples de efeito alométrico, o que nos faz crer que tais medidas não são, de fato,
totalmente desvinculadas. Mesmo assim, a divisão dos organismos nestes caracteres é
válida, mesmo que aparentemente arbitrária, pois permite a investigação da variação nos
padrões biológicos relacionando-os a estruturas que podemos reconhecer e mensurar. O
cuidado que precisamos tomar aqui é não esquecer que cada caráter isolado não é um fator
biológico único, e possíveis correlações devem ser consideradas nas análises e
interpretações de estudos comparativos. Veremos mais adiante algumas formas de lidar
com essas correlações.
Podemos dividir arbitrariamente os métodos comparativos em dois quanto ao
tratamento de caracteres. A primeira abordagem é mais clássica, tendo sido utilizada desde
Carl Linnaeus em seu Systema Naturae, e consiste basicamente na identificação e
descrição de caracteres que compõem um organismo. Estes caracteres são comumente
codificados de maneira discreta (mas não necessariamente), ou seja, em categorias
distintas. Podemos ver um exemplo disso na própria evolução humana, na qual apenas o
Homo sapiens dentre todos os hominídeos não apresenta crista supra-ocular marcada. A
outra abordagem é comumente utilizada em caracteres contínuos que apresentam valores
ou estados que se sobrepõem entre espécies. Por exemplo, se medirmos a massa
corpórea, podemos esperar que este valor seja igual entre, digamos, gatos e cães, apesar
de possivelmente estas duas espécies apresentem tendências centrais (médias) distintas.
318

Evolução de Sistemas Fisiológicos
Tal abordagem poderia ser chamada de
“populacional”, uma vez que leva em conta
polimorfismos (poli - múltiplas morfia - formas de
um caracter) entre grupos de indivíduos nas
populações. O fato do rinoceronte negro
apresentar dois chifres e de o rinoceronte indiano
apresentar apenas um evidentemente não requer
uma abordagem populacional, pois apenas um
indivíduo (de cada espécie) contém toda a
informação necessária para distinguí-las (apesar
do conhecimento de outros indivíduos ser
necessário para fazer este tipo de inferência).
Figura 2 - Distribuições normais com
diferentes parâmetros: média (µ) e desvio
Entretanto, quando comparamos rinocerontes padrão (σ). Preta (µ=0; σ=1), vermelha (µ=1;
brancos e negros notamos que poderiam diferir σ=1), cinza (µ=0; σ=0,25).
quanto ao comprimento total de seus chifres, e
que sua variação ocorre em função de diversas características ambientais e genéticas.
Sendo assim, a medida do chifre de apenas um exemplar apresenta uma grande imprecisão
que aumenta a possibilidade de generalizar a informação erroneamente. Seria como medir
um homem pigmeu e chegar a conclusão que seres humanos são indistintos em termo de
tamanho dos chimpanzés, ignorando totalmente a ampla diversidade humana. É válido notar
que tais abordagens diferem quanto ao tratamento do caracter e não sua natureza. De
forma similar, caracteres discretos podem apresentar variação populacional, como, por
exemplo, na tentativa de distinguir duas populações humanas quanto ao sistema sanguíneo
ABO, tendo que ser avaliados, assim como outros caracteres estruturados
populacionalmente, de forma estatística.
NOÇÕES DE ESTATÍSTICA
Estatística é o campo matemático ligado à coleta, análise, interpretação e
apresentação de informação que chamamos de dados. Historicamente, a primeira
abordagem estatística é a que conhecemos como censo que procura descrever a população
em sua totalidade. Uma segunda forma de levantarmos dados estatísticos é através de
amostragens representativas do fenômeno de interesse. Dentro dessa segunda abordagem,
muitas vezes as constatações de diferenças entre as amostras não é clara (p.e. há alguma
sobreposição de intervalo de confiança das duas populações dos organismos comparados).
Nestes casos se faz necessária a aplicação de procedimentos que permitam uma decisão, o
mais objetiva possível, a respeito da existência de diferenças significativas entre as
amostras. Assim sendo, a estimativa de parâmetros estatísticos destas populações, como
médias e variâncias, nos fornecem poderosas ferramentas para avaliar as diferenças entre
319

V Curso de Inverno
grupos e nos dá base para inferências científicas. Quando usamos estatística, normalmente
temos que entender um pouco sobre distribuições. Na concepção frequentista de estatística
o que fazemos é utilizar um modelo de distribuição de dados para, de certa forma, simplificar
nossas análises utilizando parâmetros de distribuição, calculados a partir dos dados, e não
os dados em si. O que estamos comparando, no final, não são os dados brutos coletados e
sim modelos de distribuição destes dados dentro de uma lógica de tendência central de
valores (média) à qual está associada a uma
dispersão própria (variância). Quando falamos de
dados biométricos (ou seja, dados biológicos
mensuráveis) normalmente falamos de
informações contínuas que possuem um certo
padrão que nos permite inferir uma distribuição
normal, que é bem representada por apenas dois
parâmetros descritores, a média e a variância
(Figura 2). Tais parâmetros não são puramente
abstratos e podem ser facilmente compreendidos
em termos biológicos. A média (µ) de uma
população de dados, em uma distribuição normal,
pode ser interpretada como o fenótipo mais
freqüente, ou em outras palavras, aquele que
você espera encontrar com maior freqüência em
seu grupo. Já variância (σ²) pode ser entendida como uma medida de dispersão dos dados
ao redor desta média, ou seja, o quanto os pontos obtidos desviam da média. As causas
desta dispersão podem ser muitas, desde variação populacional real até erro de
amostragem, mas raramente a natureza exata destas causas é relevante (a não ser que
algum fator de variação seja exatamente o objeto de estudo).
Figura 3 - Exemplo de 5 grupos com variâncias
intra-grupos iguais (σ²=25) e médias distintas.
Discutiremos brevemente, a seguir, duas das principais técnicas estatísticas
utilizadas em biologia: a analise de variância e a regressão linear. Ambos os métodos
pertencem a uma família de análises chamada de modelos lineares gerais (General Linear
Models). São assim chamados, pois partem do pressuposto que as variáveis em estudo
variam de maneira linear, ou seja, aditiva em função dos fatores causais (ou seja, o efeito de
cada fator pode ser somado para a obtenção do efeito geral). Estes modelos são os mais
simples e serão explicados em sua forma univariada (ou seja, com apenas uma variável).
Consulte Sokal & Rohlf (1995) e Zar (2007) para mais informações com enfoque biológico.
ANOVA: A análise de variância univariada foi um método concebido por Fisher nas
décadas de 1920 e 30 para avaliar simultaneamente as médias de uma dada variável entre
diferentes grupos, sem incorrer no acúmulo de Erro tipo I (rejeitar a hipótese nula quando
ela é verdadeira) ao realizamos comparações de diversos grupos par-a-par. O princípio é
320

Evolução de Sistemas Fisiológicos
muito simples: você avalia a diferença estatística entre dois grupos averiguando se a
variância dentro dos grupos é maior do que a entre-grupos (Figura 3). Se existe diferença
entre as médias dos grupos, a variância inter-grupos será a variância total menos a
variância intra-grupo. Note que só com a ANOVA não podemos saber onde está exatamente
a diferença, sendo necessária a aplicação
de testes posteriores.
Regressão linear: Quando queremos
analisar duas variáveis simultaneamente,
avaliando a relação entre elas, estamos
falando de técnicas de regressão.
Intuitivamente o que tentamos fazer é obter
uma reta que “passa” por uma nuvem de
pontos (composta por seus dados), de
maneira que esta reta se ajuste da melhor
froma sobre seus dados (Figura 4). A
regressão linear é muito utilizada para
observar as relações causais entre fatores
biológicos, possibilitando poder de previsão, uma vez que a reta ajustada possui uma
formula que pode ser extrapolada para casos não observados. Por exemplo, se já temos a
equação da reta obtida pela regressão linear da relação entre massa corpórea e consumo
de oxigênio basal de dada espécie, podemos estimar de maneira indireta o consumo de
oxigênio basal através da massa corpórea do novo indivíduo estudado.
Estes métodos possuem premissas muito específicas que devem ser levadas em
conta quando testamos qualquer hipótese científica. A primeira premissa óbvia é a de
homogeneidade de variâncias (mesmo tamanho da variância) dentro da população. Isso é
mais claro em ANOVA, uma vez que utilizamos apenas um parâmetro de variância intragrupo
no teste. Se há diferenças de variância intra-grupo, no final da ANOVA não temos
como saber se o teste detectou a diferença entre variâncias ou entre as médias. Entretanto,
sabemos que normalmente nossos grupos de estudo apresentam variâncias distintas.
Mesmo assim, há procedimentos em que podemos corrigir a amostragem de maneira a
podermos aplicar o teste, e assim distinguir claramente o resultado (mais informações Sokal
& Rohlf 1995 e Zar 2007). Existem, entretanto, premissas que não podem ser relevadas
quando analisamos dados comparativos e a principal delas é a da independência dos
dados.
Figura 4 - Relação linear entre duas variáveis
hipotéticas. O tracejado ilustra a reta com equação
estimada pela regressão linear. A estimativa dos
parâmetros minimiza a distância quadrada entre a
reta e os pontos que representam os dados.
Quando avaliamos dados populacionais de forma estatística esperamos que a
inferência estatística seja realizada e sustentada por múltiplas fontes independentes de
evidência. Sendo assim, você não poderia medir a taxa metabólica de um mesmo homem
varias vezes e dizer que a média da sua amostra é uma boa estimativa da população
humana, pois há um viés amostral. De forma análoga, se avaliamos indivíduos quanto à
321

V Curso de Inverno
capacidade de digerir lactose, mas não notarmos que 98% de nossa amostra é aparentada
entre si (irmãos, primos, sobrinhos, tios, etc) nossos resultados apresentarão um forte viés,
uma vez que sabemos que tal traço é fortemente influenciado pela genética. Quando
avaliamos espécies distintas temos um caso especial disso. Tal problema é mais grave
quando avaliamos mais de duas espécies, pois as relações de parentesco podem ser mais
complexas e hierarquicamente estruturadas em filogenias.
FILOGENIAS
Inferência filogenética pode ser definida como o estudo comparativo das espécies ou
grupos de espécies com o intuito de inferir padrões de parentesco entre eles. A taxonomia,
com seu caráter puramente classificatório de um mundo essencialista passou, com o
advento da teoria de descendência com modificação, a transformar-se em sistemática
filogenética e a ter como objetivo último entender a relação de parentesco entre as formas
de vida ao longo do tempo evolutivo (Hunter, 1998). A Sistemática Filogenética, proposta por
Willi Hennig na década de 1950, é o estudo filogenético de grupos aparentados com a
finalidade de testar a validade de grupos naturais (monofilia) e sua taxonomia. Vários
métodos de Sistemática Filogenética foram desenvolvidos dentre os quais o dominante
atualmente é a Cladística. A representação básica de uma hipótese filogenética é o que
chamamos de árvore filogenética composta de uma topologia (espécies ou grupos de
interesse), ramos e nós (representam ancestrais hipotéticos). A cladística baseia-se em
critérios de similaridade para propor estas árvores, mas não em similaridade absoluta e sim
compartilhada por clados. Por exemplo, apesar de hienídeos parecerem com canídeos em
termos gerais, existem características que apontam que hienas são membros do grupo dos
felídeos e viverrídeos. Tais características (sinapomorfias) definem grupos monofiléticos
(que possuem um ancestral comum) e são corroboradas por informação concordante
proveniente de outros caracteres ou fontes de dados do conjunto de organismos em estudo.
É importante sempre lembrar que uma filogenia é uma hipótese de parentesco e sempre
pode mudar, conforme novas evidências surgem. A escolha de uma boa filogenia em que se
irá trabalhar segue critérios de estabilidade de acordo com sua pouca ou nenhuma alteração
após alguns anos de sua proposição.
MÉTODOS FILOGENÉTICOS COMPARATIVOS
Como já colocado, a estruturação hierárquica das espécies gera um certo grau de
dependência (expresso na hipótese filogenética) que se deve ter em mente quando
testamos hipóteses em abordagens comparativas. A pergunta é: devemos sempre nos
preocupar com tal dependência? A resposta obviamente é não. Por exemplo, quando
realizamos uma análise filogenética, levar em conta a dependência seria totalmente
infrutífero, pois destruiria exatamente o propósito da análise, que é testar e corroborar
exatamente estas relações de dependência. Outro exemplo são estudos biomecânicos,
322

Evolução de Sistemas Fisiológicos
onde o resultado da força aplicada pela mandíbula de um crocodilo pouco tem a ver com a
filogenia subjacente, mas sim com tamanho da mandíbula, número de fibras musculares e
etc. Mas quando buscamos abordagens evolutivas, a dependência de dados pode ofuscar
completamente a questão.
Quando tentamos correlacionar duas variáveis buscamos identificar fatores causais
na natureza. Por exemplo, se tentarmos correlacionar em diapsidas a endotermia e a
presença de penas, fica óbvio que estamos tentando verificar se a presença de penas está
vinculada à endotermia. Entretanto, todos os diapsidas atuais que são endotermos possuem
penas, o que pode parecer prova de que os fatores estão relacionados, mas não é. Seria o
equivalente a dizer que vertebrados possuem olhos complexos e endosqueleto, logo estas
duas características estão ligadas. Correlação evolutiva não é correlação funcional. Apesar
dos vertebrados terem desenvolvido ossos e olhos, estes caracteres possuem funções
distintas e provavelmente estão presentes em vertebrados simplesmente por estarem
ambas no mesmo ancestral comum. Chamamos este padrão de Pseudo- repetição
Filogenética.
Quando nos deparamos
com pseudorepetição, a principio,
não invalidamos as análises
estatísticas. Se tivermos a
informação sobre a dependência
dos dados podemos, de certa
maneira, corrigir nossos testes para
seu efeito. Na pseudorepetição
filogenética a informação sobre
dependência está codificada nas
filogenias, permitindo inferir o efeito
de tal estrutura nos dados e testar
hipóteses. É importante ressaltar
que as filogenias usadas como base para inferir a estrutura de dependência dos dados
devem ser obtidas de forma independente, ou seja, com uma matriz de dados diferente
daquele que está sendo comparado. Por exemplo, adaptações comportamentais podem ser
testadas com filogenias baseados em morfologia, já adaptações morfológicas não podem
ser analisadas com essa mesma filogenia. O conjunto de métodos utilizados para esta
finalidade são chamados Métodos Filogenéticos Comparativos e a seguir veremos dois
exemplos: Contrastes filogenéticos e Autovetores Filogenéticos.
Figura 5 - Exemplo de aplicação do método de contrastes
filogenéticos. A, B e C representam a topologia, X é o
ancestral hipotético calculado como a média de A e B. Logo
abaixo, os valores obtidos nos dois contrastes.
CONTRASTES FILOGENETICOS
Dentre as soluções propostas, a de Felsenstein (1985) é, de longe, a mais popular
devido à maior simplicidade de sua aplicação. Carvalho et al. (2005) demonstram que o
323

V Curso de Inverno
artigo de 1985 já se tornou um clássico dos estudos de biologia evolutiva tendo sido citado
por 1462 artigos no período de 1985 e 2002. Mesmo após 23 anos de existência, a
expansão da influência do método de Contrastes Independentes ainda está aumentando e o
número de trabalhos que aplicam o método cresce a cada ano.
Felsenstein baseou-se na lógica de que grupos-irmãos divergem a partir de um
mesmo momento no tempo, e por isso, a comparação entre eles não sofre dependência da
estrutura hierárquica. Como a relação entre estes dois grupos é independente, o que
fazemos é um contraste, ou seja, medimos a diferença entre os grupos-irmãos ao longo da
filogenia, considerando o tempo de divergência dado pelo tamanho dos ramos (desviopadrão).
O procedimento é executado de “cima para baixo”, começando no topo seguindo em
direção à raiz, sempre identificando os grupos-irmãos. O número de contrastes resultantes é
N-1, onde N é o número de espécies do clado analisado. Por exemplo, se tivermos 21
espécies dentro de uma filogenia teremos como resultado 20 contrastes independentes.
Outra premissa estatística importante, vista acima no item sobre estatística, é que os dados
tenham distribuições idênticas para que sejam comparáveis. Quando olhamos para a
filogenia percebemos que o tempo de divergência entre os ramos deve ser considerado, já
que quanto mais antiga a divergência entre os ramos, maior a diferença esperada para os
grupos-irmãos. Para resolver esse problema usamos um fator de correção, ou
padronização, onde dividimos cada contraste com a raiz quadrada da soma do tamanho dos
ramos (Figura 5). Como a comparação entre grupos-irmãos pode ser considerada um dado
independente e estabelecendo-se distribuições idênticas através da padronização dos
contrastes, cada contraste pode ser considerado um ponto independente passível de ser
usado em métodos estatísticos convencionais, como regressões, correlações, entre outros.
Agora, lembram-se de que a maior parte das inferências filogenéticas que temos
disponíveis para que possamos usar em nossos contrastes são produzidos através de
técnicas cladísticas, mais precisamente baseadas em morfologia? Essas filogenias não
produzem ramos com relação proporcional de tempo, ou seja, não informam quanto ao
tempo de divergência de cada contraste. O que fazer então? Podemos aplicar tamanho de
ramos arbitrários. Apesar de parecer estranho, simulações em computador mostram que
mesmo esse procedimento mais arbitrário apresenta resultados superiores e mais robustos
do que, alternativamente, desconsiderar totalmente a estrutura filogenética subjacente. Ao
que parece, os método de Contrastes Independentes é pouco sensível a erros de tamanho
de ramos (Diaz-Uriarte & Garland, 1996).
AUTOVETORES FILOGENÉTICOS
O método de regressão de Autovetores Filogenéticos (RAF) foi originalmente
proposto para medir a inércia filogenética de caracteres contínuos (Diniz-Filho et al,1998). A
inércia filogenética pode ser definida como a proporção de variação fenotípica que está
324

Evolução de Sistemas Fisiológicos
filogeneticamente estruturada (Diniz-Filho, 2000), ou seja, o quanto a filogenia pode prever o
fenótipo. Por sua simplicidade e plasticidade o método foi estendido para a análise de
correlação de elementos fenotípicos em um contexto filogenético (Diniz-Filho et al, 1999,
2000). O princípio é muito simples: se pudéssemos codificar a filogenia como um caracter
contínuo poderíamos usar este caracter como uma variável preditora (independente) em
uma análise simples de
regressão (como na figura
4). Assim teríamos
valores esperados pela
filogenia (na reta de
tendência) e desvios
desse valor esperado (os
r e s í d u o s ) . A s s i m
d e s d o b r a r í a m o s a
variância fenotípica em
d o i s f a t o r e s , u m
filogenético, proveniente da estrutura filogenética, e outro específico (Diniz-Filho, 2000).
Figura 6 - A filogenia pode ser interpretada como um conjunto de distancias par-a-par entre os taxa,
formando uma estrutura hiperdimensional com n dimensões (A). Como não existe um sistema de
coordenadas pré-definido, qualquer rotação desta hiperestrutura mantêm as relações de distância (B).
Assim, usamos técnica de Coordenadas Principais (C) que cria n eixos de modo que o primeiro novo
eixo resuma a maior parte da variação e todos os seguintes sejam ortogonais (com ângulo de 90º) a
ele, resumindo cada vez menos variação, criando um sistema de coordenadas arbitrário (D).
O primeiro passo é, então, codificar a filogenia em forma de caracter. Para tal
utilizamos uma técnica análoga à técnica de Componentes Principais chamada
Coordenadas Principais, que transforma a informação filogenética na forma de distâncias
filogenéticas (medido de alguma forma, seja distancia molecular, seja numero de passos
entre nós, seja numero de nós, etc) entre cada par de espécies (ver figura 6). Uma vez
extraídos estes novos eixos e (conseqüentemente) novas variáveis que codificam a filogenia
do grupo, tais variáveis podem ser usadas em uma análise de regressão múltipla, que difere
da univariada por ter diversas variáveis preditoras. Na verdade, no caso de RAF, o que
temos é uma única variável preditora complexa, a filogenia.
Apesar de parecer mais complexa, a regressão múltipla pode ser visualizada de
maneira idêntica à regressão univariada, apresentando valores previstos e resíduos
(variação não explicada pelo modelo) (figura 4). Assim sendo, se somarmos todos os
resíduos e dividirmos pela variância total, encontraremos uma porcentagem NÃO explicada
pela RAF e, conseqüentemente, achamos a porcentagem que é de fato explicada. Em
outras palavras, se seu resíduo compõem 13% da variância total, então quer dizer que seu
modelo de regressão (o RAF) explica 87% da variância. Esta variância explicada é o que
325

V Curso de Inverno
chamamos de inércia filogenética, uma vez que é o quão ajustado à uma dada filogenia o
fenótipo está. Os resíduos podem ainda ser usados para testar diferença entre grupos
através de ANOVA ou utilizados em regressões, isolando o efeito da filogenia nos caracteres
avaliados.
Referências Bibliográficas
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Preto.
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comparative method” on evolutionary biology. Scientometrics 62(1): 53-66.
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Diniz-Filho JAF (2000). Métodos Filogenéticos Comparativos. Holos Editora. Ribeirão Preto
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Zar JH (2007). Biostatistical Analysis. Prentice-Hall, Inc. Upper Saddle River, NJ, USA .
Revisado por Erika Hingst-Zaher e Carlos A. Navas Iannini
326

Evolução de Sistemas Fisiológicos
Fisiologia Evolutiva e Reprodução:
o exemplo da evolução da viviparidade em Squamata
Renata Brandt Nunes
Laboratório de Ecofisiologia e Fisiologia Evolutiva
renata.brandt@gmail.com
Justifico a escolha deste tema para o módulo de Evolução de Sistemas Fisiológicos
por 3 motivos. O primeiro deles é que nós humanos somos vivíparos e temos uma
curiosidade natural sobre a nossa própria reprodução. Em segundo lugar, o modo de
reprodução está intimamente relacionado à fisiologia, ecologia e comportamento de uma
espécie. Por último, a viviparidade é recorrente na história dos vertebrados, com inúmeras
origens distintas (Blackburn, 1999), o que levanta questões evolutivas e funcionais
fascinantes.
Muitas características dos Squamata os tornam o melhor modelo para as
tentativas de se entender a evolução da reprodução mamífera. A maior parte das origens da
viviparidade ocorreu recentemente e em níveis taxonômicos inferiores, o que permite uma
potencial reconstrução da transição evolutiva (Blackburn, 1999). Além disso, por serem
amniotas, suas membranas fetais são homólogas aquelas que contribuem para a placenta
mamífera. Entretanto, é necessário cautela ao se aplicar as conclusões de estudos em
sistemas reptilianos ao sistema mamífero, pois os Squamata são únicos quanto à fisiologia,
apresentam outras características únicas (como clivagem do vitelo isolando parte de sua
massa), além da seqüência pela qual a viviparidade e placentação evoluíram nos dois
grupos ser diferente (Blackburn, 2006).
Numa revisão recente, Blackburn (2006) argumenta que esse tema é recorrente na
literatura e em propostas de financiamento, mas que a discussão de tais trabalhos nunca
traça um paralelo entre a viviparidade de Squamata e Mamíferos, e que sempre fica uma
promessa de estudo futuro. Minha opinião é que esse é um fenômeno interessante demais
para ser justificado somente pelo entendimento da viviparidade nos mamíferos, sendo
justificado por si só. Nesta última revisão citada, você encontrará ainda um pequeno
histórico das pesquisas nesta área.
Modos de reprodução
Neste texto, como na maioria dos artigos científicos da área, seguiremos a
terminologia proposta por Shine em 1985. São ovíparos os animais que fazem a postura de
ovos com casca. Em contrapartida, os vivíparos são os animais dos quais os neonatos
nascem ou que depositam ovos recobertos por um fino saco membranoso do qual emergem
os neonatos em até alguns dias.
Embora a maioria dos Squamata seja ovípara, a viviparidade evoluiu pouco mais de
327

V Curso de Inverno
100 vezes no clado (Blackburn, 1999; Blackburn, 2006; Shine, 1985). Apesar dessa maioria
ovípara, a quase totalidade das espécies apresenta uma característica comum conservada,
a retenção uterina prolongada dos ovos (Shine & Thompson, 2006). Dentro da diversidade
de espécies ovíparas de cobras e lagartos, as fêmeas atrasam a postura por cerca de 1/3 do
total do período de desenvolvimento embrionário (Calderon-Espinosa et al., 2006), que na
tabela de desenvolvimento mais utilizada (Dufaure & Hubert, 1961) corresponde ao estágio
30 (sistema circulatório funcional). Toda regra tem exceção e os camaleões estão entre os
poucos squamata que fazem postura de ovos em estágios iniciais de desenvolvimento
(Andrews & Donoghue, 2004) a exemplo de crocodilos e tartarugas.
Transição para a viviparidade
A viviparidade é um caráter derivado da oviparidade (Lee & Shine, 1998). Algumas
espécies como Lacerta vivipara, Lerista bougainvilli, e Saiphos equalis podem ser tanto
ovíparas quanto vivíparas, e isso sugere que a transição é gradual (Calderon-Espinosa et
al., 2006). Entretanto, a escassez de espécies que realizam a postura de ovos, cujos
embriões estão em estágios intermediários (entre os estágios 33 e 40), sugere que esta
transição ocorre rapidamente ou que formas intermediárias não são adaptativas (Blackburn,
1995). Algumas populações ovíparas de espécies bimodais (aquelas que apresentam os
dois modos reprodutivos) fazem a postura de ovos com embriões em estágio de
desenvolvimento mais avançado que a moda para squamata, o estágio 30 (Andrews &
Mathies, 2000). Nestas espécies bimodais, a extensão do desenvolvimento embrionário
intra-uterino é correlacionada negativamente com a espessura da casca. A espessura da
casca, por sua vez, mais o aumento da vascularização do oviduto, e o desenvolvimento
mais extenso do corioalantóide (ou membrana corioalantóide) são tidos como modificações
morfológicas e fisiológicas associadas com a transição evolutiva da oviparidade para
viviparidade (Andrews, 1997; Heulin et al., 2002).
Lee e Shine (1998) concluíram que a viviparidade está sob restrição filogenética,
pois evoluiu em alguns squamata mas não em tartarugas, archosauros e répteis
sphenodontídeos. Robin Andrews explorou essa hipótese em diversos trabalhos posteriores
com lagartos do gênero Sceloporus, comparando um clado tanto com espécies ovíparas
quanto vivíparas (grupo S. scalaris) com um clado em que todas as espécies são vivíparas
(grupo S. undulatus). Nas espécies ovíparas, foi estudada a capacidade para sustentar o
desenvolvimento embrionário no útero sob condições que inibem a oviposição. Como
conclusão, a evolução da viviparidade no grupo S. undulatus é limitada em razão da
incapacidade dos embriões de continuar o desenvolvimento além do estágio normal de
oviposição (Andrews & Mathies, 2000), com exceção de S. virgatus cujos embriões
continuam o desenvolvimento até o estágio 37 (Andrews, 1997). Ao contrário da maioria das
espécies do grupo S. undulatus, algumas espécies ovíparas do grupo S. scalaris, como S.
scalaris e S. aeneus, e que são próximas a espécies vivíparas, têm a habilidade de
328

Evolução de Sistemas Fisiológicos
sustentar a embriogênese in utero até estágios avançados (ao menos o estágio 36 em S.
aeneus e 39.5 em S. scalaris (Mathies & Andrews, 1996).
Num trabalho posterior, também com lagartos Sceloporus (Calderon-Espinosa et al.,
2006), a abordagem mudou para a evolução da retenção dos ovos. Estudando grupo de
lagartos Sceloporus, o grupo S. spinosus que apresentam um ancestral comum recente com
o clado irmão, o grupo S. formosus, que é inteiramente vivíparo, os pesquisadores
hipotetizaram que esses lagartos exibiriam uma capacidade maior para a retenção de ovos
além do estágio normal para Sceloporus ovíparos (estágio 30). As fêmeas desse grupo
exibiram de fato uma maior capacidade de retenção de ovos com continuação do
desenvolvimento intra-uterino dos ovos além do estágio normal de postura. Entretanto, o
grau de desenvolvimento variou dentro das ninhadas, como resultado da morte de embriões
durante a embriogênese. Possíveis fatores foram investigados e a posição e o grau de
lotação dentro do oviduto não estão relacionados à sobrevivência dos embriões. Outros
fatores podem estar relacionados à variação no estágio no qual os embriões morreram
como a heterogeneidade no grau de vascularização do oviduto, permeabilidade da casca do
ovo a oxigênio ou os embriões podem ainda diferir na habilidade de sobreviver ou
desenvolver sob pressão de oxigênio diminuída. Uma conclusão importante é que a alta
mortalidade dos embriões retidos e das fêmeas grávidas sugere que a retenção dos ovos
reduz a aptidão (“fitness”) e que a seleção não favoreceria normalmente essa característica.
Cenários evolutivos
E qual seria o cenário evolutivo que levou ao aparecimento da viviparidade?
A resposta a esta pergunta parece envolver regimes térmicos, temperaturas mais
altas aceleram a embriogênese e podem aumentar a viabilidade da prole. Em razão das
temperaturas corpóreas maternas serem maiores do que as temperaturas dos ninhos em
climas frios, mas não em áreas mais quentes, esta hipótese prediz que a viviparidade é mais
provável de evoluir em áreas frias. Há uma revisão muito boa sobre as diversas hipóteses
para o aparecimento da viviparidade em um dos volumes do Biology of the Reptilia, escrita
por Shine (1985). Ele também apresenta uma análise bem completa dos clados e da
distribuição geográfica de onde a viviparidade apareceu, e apesar de estarmos 20 anos de
trabalhos a frente do que o Shine tinha disponível em 1985, esse é um capítulo que vale
muito a pena ser lido ainda hoje.
A hipótese dos “climas frios” concorda com dados de uma ampla variedade de
táxons, adquirindo o status de ortodoxia (Shine, 1985) sem, no entanto, ser submetida
algum desafio de teste (Mendez-de la Cruz et al., 1998; Hodges, 2004). Alguns estudos
mediram diretamente as vantagens acumuladas devido ao prolongamento da retenção
uterina dos ovos em climas frios (Shine, 2002). Algumas dessas vantagens podem ocorrer
em climas mais quentes, como o tropical, por conta da melhora no desenvolvimento
embrionário resultando da seleção materna por temperaturas mais estáveis (Webb et al.,
329

V Curso de Inverno
2006), em vez de mais altas (hipótese da manipulação materna do Shine). A hipótese de
que a viviparidade evoluiu por benefícios térmicos tem apoio empírico bastante robusto,
apesar de relativamente poucos táxons terem sido estudados (Shine & Thompson, 2006).
Raridade dos estágios intermediários
As pressões seletivas operando nos estágios embrionários de oviposição envolvem
as conseqüências do desenvolvimento in útero contra o ninho, e vão depender, portanto,
das respostas dos embriões a condições alternativas de incubação e como essas respostas
mudam enquanto o desenvolvimento procede. De maneira simplista, os requisitos
fisiológicos mais importantes são: temperaturas apropriadas, umidade e as trocas gasosas.
A embriogênese continua normalmente apenas dentro de uma faixa limitada e
espécie-específica (Shine, 1999). Mudanças dentro dessa faixa podem mudar tanto a taxa
de embriogênese quanto as trajetórias de diferenciação (Shine & Thompson, 2006), o que
significa que características fenotípicas dos squamata, como sexo da prole, cor, tamanho,
forma, nível de atividade e desempenho locomotor (Ji & Brana, 1999; Ji et al., 2002;
Deeming, 2004) são modificadas pela experiência térmica pré-eclosão ou de nascimento. É
importante lembrar que a sensibilidade térmica não é constante ao longo da embriogênese,
sendo mais pronunciada no começo do desenvolvimento (Andrews, 2004). Dessa forma,
retenção por períodos mais prolongados no útero afetaria características fenotípicas
diferentes de embriões retidos por um período menor.
Há poucos dados de como mudanças na temperatura durante o período de
incubação afetam as respostas embrionárias. Do que está disponível, se sabe, por exemplo,
que embriões de Vipera aspis, uma espécie vivípara, nascem mais cedo depois de verões
mais quentes. Altas temperaturas logo após a ovulação aumentaram a contagem de
escamas ventrais (número de segmentos corporais), altas temperaturas no meio da
gestação aceleraram o desenvolvimento e adiantaram o parto, e ainda altas temperaturas
no final da gestação reduziram a freqüência de natimortos (Lourdais et al., 2004).
Os embriões, assim como todos os organismos aeróbios, precisam obter oxigênio e
eliminar gás carbônico. O gás carbônico se difunde mais rapidamente através da casca do
ovo do que o oxigênio (Deeming & Thompson, 1991) razão pela qual se acredita que o
oxigênio seja mais limitante ao se considerar custos e benefícios da retenção uterina de
ovos (Andrews & Mathies, 2000). É importante lembrar ainda que o oxigênio difunde-se 4
ordens de magnitude mais devagar na água que no ar. No útero, os poros da casca do ovos
estão preenchidos por fluido, o que faz com que a condutância da casca seja baixa, mas em
estágios iniciais de desenvolvimento a demanda do embrião por oxigênio também é mais
baixa (Vleck & Hoyt, 1991). Em seu curso normal, logo após a postura, a casca do ovo seca
e os poros passam a ser preenchidos por ar, facilitando a troca gasosa no momento anterior
ao grande crescimento exponencial na demanda energética do embrião, quando este está
rapidamente aumentando de massa (Vleck & Hoyt, 1991).
330

Evolução de Sistemas Fisiológicos
A estrutura envolvida na troca gasosa do embrião com o meio é o córion, que se
funde ao alantóide, e cresce em íntima associação à casca dos ovos. O corioalantóide
cresce junto do embrião, ao menos em Bassiana duperreyi (Stewart & Thompson, 1996),
não atinge seu tamanho máximo até o estágio 35/36. Mas a modulação das trocas gasosas
pode também ser realizada pelo embrião, através de mudanças na afinidade do sangue pela
molécula de hemoglobina (Ingermann et al., 1991), ou aumentando a capacidade carreadora
do sangue (Warburton et al., 1995).
Além de oxigênio, os embriões de squamata também precisam de água para um
grande número de processos fisiológicos (Packard, 1991). Em contraste com ovos de outros
grupos de répteis como tartarugas e crocodilos, cujo conteúdo inicial de água corresponde a
78% (Belinsky et al., 2004), os ovos de squamata contém em média 69%, e 66% se
considerarmos somente os de casca pergaminosa (Belinsky et al., 2004). Os squamata não
dispõem de um reservatório de água como os outros grupos, o albúmen (Tracy & Snell,
1985), e por essa razão a água necessária para completar o desenvolvimento deve vir de
fontes externas. Entretanto, ainda não está claro como ovos e embriões controlam a troca
de água com o substrato, que seria critico para avaliar as pressões seletivas impostas pela
postura em diferentes estágios embrionários. Até agora, sabe-se que a água precisa se
movimentar pela casca, e que esta portanto, seria um componente critico, e que o embrião
teria certa capacidade de manipular o fluxo de água através de gradientes osmóticos ou por
meio de aquaporinas (Andrews & Mathies, 2000).
A casca é um potencial empecilho às trocas gasosas e hídricas dentro do útero. A
casca dos ovos dos squamata é composta por uma membrana orgânica e uma camada
calcificada fina. Um curto período após a ovulação, os ovos seguem para o útero, onde
estão localizadas as glândulas da casca (Thompson et al., 2004), provavelmente envolvidas
com a deposição da camada orgânica (Heulin et al., 2005). A deposição desta camada
acontece momentos depois da fertilização (Demarco, 1988), quando provavelmente os
embriões estão num estágio muito inicial do desenvolvimento. A calcificação ocorre também
no útero (Girling, 2002). O tempo total para a deposição da casca é consideravelmente
maior que as 24 horas necessárias para as aves (Packard & Demarco, 1991). Ovos de
Sceloporus woodi, por exemplo, levam de 12-14 dias para a formação total da casca depois
que chegam ao útero (Palmer et al., 1993). Portanto, algumas espécies ou seguram o
desenvolvimento ou retêm os ovos por um período de tempo maior que o necessário para a
formação completa da casca (Andrews & Mathies, 2000), implicando em uma certa restrição
de trocas ao embrião.
Forças seletivas
Os efeitos da temperatura de incubação nas taxas e trajetórias de desenvolvimento
embrionário provavelmente foram as forças seletivas mais importantes para a transição da
oviparidade para viviparidade entre os squamata (Webb et al., 2006). Tendo em vista que (1)
331

V Curso de Inverno
em áreas mais frias, em razão da termorregulação materna, o oviduto proveria os embriões
com um ambiente mais quente que o ninho; (2) temperaturas mais altas aceleram a
embriogênese na maioria, senão em todo, período de desenvolvimento; (3) a diferença entre
a temperatura média do oviduto e dos ninhos varia de forma consistente com a elevação e
latitude (Shine and Thompson, 2006); é fácil imaginar um cenário onde a seleção natural
favoreceria aumentos na duração da retenção uterina. Outros fatores, que também variam
mais nos ninhos do que nos ovidutos, têm menor probabilidade de conferir alguma
vantagem, pois geralmente variam menos clinalmente e sem padrão (Shine and Thompson,
2006).
Com relação às trocas hídricas, no solo os ovos estão sujeitos a um potencial hídrico
(Ψ) que varia no tempo em razão por exemplo de diferenças na quantidade de chuva
durante o ciclo de incubação (Packard, 1991). A variação de Ψ durante o período de
incubação traz conseqüências ao “fitness” dos neonatos, como aumento do período de
incubação, da taxa de crescimento, sucesso de eclosão e do tamanho dos embriões que
eclodem (filhotes) quando os ovos são incubados em substratos mais úmidos (Ψ maior)
(Packard, 1991). Dessa forma, no estágio inicial de desenvolvimento, os embriões ainda não
dispõem de estruturas específicas para controle de trocas (como o alantóide), sendo
portanto incapazes de sobreviver em ninhos naturais (Shine & Thompson, 2006).
No útero, por sua vez, toda a superfície do ovo está em contato com um ambiente
saturado e de Ψ constante no tempo (Shine & Thompson, 2006). Assim, as fêmeas
reprodutivas devem reter seus ovos até a embriogênese atingir um estágio que garante a
regulação hídrica adequada quando no ninho. A deposição da casca é um processo
contínuo que se estende até o estágio 27 (Palmer et al., 1993) e o ao menos nos scincídeos
Lampropholis guichenoti e Eumeces fasciatus, é entre os estágios 30-31 que o
corioalantóide se estende por todo o embrião (Stewart & Florian, 2000); Stewart and
Thompson, 1996). Então, ambos os mecanismos de controle de trocas hídricas podem estar
insuficientemente formados até esse momento.
Já sabemos que a demanda por gases respiratórios aumenta significativamente após
o estágio 30. A inabilidade de ovos já depositados de realizar trocas gasosas
adequadamente em ambiente saturado sugere que as trocas gasosas dentro do útero úmido
podem ir se tornando problemáticas à medida que o desenvolvimento progride (Shine &
Thompson, 2006). A ampliação na demanda por gases respiratórios impediria o
prolongamento da retenção uterina além do estágio mais comum (o estágio 30 como
sugerido por Shine (1983)? Na literatura, existem respostas contraditórias, até mesmo de
um mesmo autor. Ovos de Sceloporus scalaris forçadamente retidos até o estágio 39.5 não
retardaram o desenvolvimento em relação aos ovos controle (postura no estágio 31-33.5),
não apoiando a hipótese que a postura acontece quando as trocas gasosas in útero não são
mais suficientes para sustentar o desenvolvimento embrionário (Mathies & Andrews, 1996).
332

Evolução de Sistemas Fisiológicos
Entretanto, em Sceloporus undulatus a disponibilidade limitada de oxigênio in útero parece
agir com uma restrição de desenvolvimento (Andrews, 2002). A favor dessa hipótese
encontram-se ainda a correlação entre a espessura da casca e o estágio de
desenvolvimento embrionário na postura dos ovos de squamatas que apresentam retenção
uterina prolongada (Qualls et al., 1997). Contra os estágios intermediários está o fato da
diminuição na espessura da casca tornar cada vez menos provável a sobrevivência dos
ovos no ninho, pois os ovos se tornam mais vulneráveis a predadores, patógenos e a perda
d’água (Andrews & Mathies, 2000).
Deste modo, Shine e Thompson (2006) imaginam o seguinte cenário para a evolução
da viviparidade em squamata:
• A evolução da retenção uterina prolongada de ovos deve envolver uma
seleção forte na seleção materna de sítios de postura, diminuição da
espessura da casca e traria vantagens imediatas ao prolongamento da
retenção uterina. A retenção uterina por um período cada vez maior reduz a
duração da exposição dos ovos a condições potencialmente desfavoráveis e
letais dos ninhos, mas também necessita cada vez mais do afinamento da
espessura da casca, tornando o ovo cada vez mais sensível ao ambiente do
ninho. Isso cria um ciclo de retro-alimentação positiva.
• Uma vez que a retenção uterina passa do estágio 30 de desenvolvimento
embrionário, o compromisso entre troca gasosa e balanço hídrico (afinamento
da casca) impõem uma seleção forte para o prolongamento da retenção
uterina até cobrir todo o período de desenvolvimento embrionário.
• Desta forma, poucos táxons que passam por esse cenário evolutivo ficam nos
estágios intermediários de retenção.
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Revisado por José Eduardo Pereira Wilken Bicudo
336

Evolução de Sistemas Fisiológicos
Locomoção
Meirielen Caroline da Silva
Laboratório de Ecofisiologia Evolutiva
meirielen@usp.br
Os grupos de seres vivos apresentam diferentes formatos corporais que foram
selecionados ao longo da evolução de modo a tornar os organismos bem-sucedidos em
cada ambiente. Cada uma dessas variações de forma é mantida por tecidos ancorados a
algum sitema de suporte e seu funcionamento é regido por princípios químicos, físicos e
biológicos. Uma das grandes demonstrações do uso desse arranjo é a locomoção, série de
reações e respostas que possibilita o deslocamento do animal, permitindo que este realize
todas as partes de um ciclo de vida (Withers, 1992), sem, contudo, ser vital para a existência
de vida ( vide caso dos organismos sésseis que cumprem todas as fases do seu ciclo sem
realização de deslocamento).
Aparato para locomoção
Fluxo citoplasmático, cílios e flagelos
1 Alguns protozoários e fungos realizam movimentos por meio de um fluxo
citoplasmático muito parecido com a ciclose, fenômeno observado em todos os tipos de
célula. Especulações acerca de uma possível origem dos movimentos em pontos de
diferentes pressões dentro da célula já foram apresentadas, porém, pesquisas apontaram
para a ocorrência de proteínas (actina e miosina) geradoras de força em todas as células
animais, sendo as contrações realizadas por estas a origem mais provável para os
movimentos observados ( Schmidt-Nielsen, 1996).
Cílios e flagelos são estruturas formadas por proteínas (tubulina e dineína) capazes
de realizar movimentos rápidos assimétricos e de ondulação simétrica, respectivamente.
São observados, geralmente, auxiliando na locomoção de animais muito pequenos, mas
podem ser encontrados em animais cujo tamanho é característico para relatos de ocorrência
de musculatura .Sua ação acontece por meio da quebra de ATP, com eficiência variável. No
deslocamento de espermatozóides, por exemplo, a eficiência total da conversão de energia
metabólica em mecânica foi estimada como sendo de 19 a 25% (Rikmenspoel, 1969): bem
semelhante à muscular.
Músculos
Os músculos são formados por fibras musculares que, por sua vez, são constituídas
por miofibrilas. Nestas últimas, encontramos a unidade funcional do músculo, chamada
sarcômero, constituída por filamentos de duas importantes proteínas: actina (filamentos
finos) e miosina (filamentos grossos). O deslizamento destes filamentos protéicos um sobre
o outro com gasto de ATP e geração de força, é o que denominamos contração muscular.
337

V Curso de Inverno
Os músculos podem ser lisos (de contração lenta, são responsáveis pelos movimentos de
órgãos e vasos sangüíneos, por exemplo) ou estriados (esqueléticos, responsáveis por
movimentos outros que não os da musculatura lisa , e cardíaco, um tipo especial de
músculo estriado capaz de gerar ondas de propagação elétrica em suas superfície). Aqui,
daremos especial atenção à musculatura responsável pela locomoção, a estriada
esquelética.
A contração muscular: a contração indica um estado de atividade mecânica do músculo e
pode ser isométrica (extremidades musculares fixas) ou isotônica (extremidades livres e
carga a ser movimentada variando), mas ambas geralmente ocorrem em conjunto nos
músculos. O padrão de produção de força muscular após um estímulo ou vários, pode ser
observado na figura abaixo:
A contração ocorre quando um impulso nervoso atinge a junção neuromuscular,
ocasionando uma onda de despolarização. Por meio da acetilcolina (vertebrados) e usando
os túbulos T como canais de propagação, o impulso alcança todo o músculo, causando
liberação de cálcio do retículo sarcoplasmático e ligação da miosina com a actina
(encurtamento do músculo). Esta ligação será desfeita, apenas, com gasto de ATP.
A força exercida por um músculo é diretamente proporcional à sua área de secção
transversal, não importando o seu comprimento. Os músculos dos animais apresentam uma
força máxima por área de secção transversal de 4 a 5 Kg força por centímetro quadrado.
Tipos de fibras musculares: há três tipos de fibras musculares (Purves et al, 2002):
a)fibras musculares de contração lenta (tônicas ou SOs): apresentam grande irrigação e
quantidade de mioglobina. Apesar de contrairem-se lentamente em relação às fibras fásicas
(a contração das fibras fásicas, segundo Close, 1972, é cerca de duas a três vezes mais
rápida que a contração das fibras tônicas), tal contração pode ser mantida por longos
períodos. São fibras oxidativas e resistentes à fadiga (músculos para sustentação do vôo ou
de longas corridas).
b)Fibras musculares de contração rápida (fásicas ou FGs): poucos vasos sangüíneos,
338

Evolução de Sistemas Fisiológicos
mitocôndrias e mioglobina. Estão geralmente associadas a grânulos de glicogênio e
apresentam metabolismo anaeróbio. Podem desenvolver uma grande tensão rapidamente,
porém, esta não é mantida por longos períodos (pernas de aranhas, músculos peitorais de
galinhas).
c)Fibras musculares de contração intermediária (FOG): são fibras glicolíticas e oxidativas
rápidas. Nelas, observa-se uma quantidade intermediária de vasos sangüíneos,
mitocôndrias e mioglobina. Contraem-se repidamente e sustentam a contração por um
tempo médio, em relação aos dois tipos anteriores.
Esqueleto
Este é o nome dado à estrutura ou arranjo capaz de manter a forma do animal e
ancorar os músculos. Pode ser:
a)Hidráulico : um sistema de pressurização mantém a rigidez das paredes (Ex.: anêmona).
Pode funcionar juntamente com um sistema onde a musculatura e fibras colágenas geram
a pressão sobre o líquido, como nos equinodermas. Algumas juntas de aranhas, por exmplo,
possuem apenas músculos flexores, de modo que a extensão das patas é proporcionada
por geração de pressão hidráulica (extremamente alta quando comparada a outros
artrópodes: cerca de 0,5 atm) (Foelix, 1996).
b) Rígido: endo ou exoesqueleto (Ex.:ossos, quitina)
Dentre as características mais relevantes de um esqueleto, destacamos:
-densidade : (Kg m -3 ) determina a massa da estrutura de acordo com um determinado
volume. A tendência evolutiva é desenvolver esqueletos o mais leve possível, uma vez que o
animal deve gastar energia para suportá-lo;
-elasticidade : capacidade de liberar a energia armazenada durante um processo de
aplicação de força numa determinada área. Cada material possui um elasticidade particular
que exerce um papel na tarefa para a qual foi designado.
- resistência: a distribuição de exoesqueletos ou endoesqueletos entre os animais não é
aleatória. Segundo leis físicas, um cilindro oco (exoesqueleto, no caso) é mais resistente
que um maciço de mesmo tamanho e material. No entanto, para um aumento de tamanho
com necessidade de manutenção da resistência, este cilindro teria que ter paredes mais
grossas, o que acarretaria um aumento de massa. Assim, houve uma tendência de
desenvolvimento de endoesqueletos conforme os animais atingiram portes maiores.
As diferenças de preenchimento nos ossos, por exemplo, são respostas às
diferentes pressões exercidas sobre determinada parte do corpo.
Juntas
Juntas são articulações entre elementos do esqueleto que agem com os músculos
339

V Curso de Inverno
para produzir movimento. São mais móveis quando suportam pouca aplicação de força e
menos móveis quando suportam grandes aplicações de força. No caso dos vertebrados,
encontram-se imersas em líquido sinuvial que proporciona lubrificação. Já nos artrópodes,
como os insetos, estão envoltas em camadas de cutícula e podem absorver parte da
energia requerida para o movimento. A inserção da musculatura nas juntas também
determina as características do animal que as mantém. Podem apresentar uma organização
fusiforme -característica de vertebrados- ou penada -comum em artrópodes; aqui, o
encurtamento das fibras não altera sua área transversal, fator importante em animais que
não suportam modificações na forma, com exoesqueleto.
Locomoção
Cada ambiente impõe forças distintas sobre os corpos dos seres vivos. Sendo assim,
para cada meio, encontramos diferentes estratégias de deslocamento e diferentes custos
envolvidos. O custo energético da locomoção é diretamente relacionado ao esforço
muscular, sendo que o nível de atividade muscular é modulado pela forma dos membros e
patas, padrão de deslocamento e mecanismos para poupar energia (Reilly et al, 2007).
I) Meio terrestre
Os organismos que habitam o meio terrestre sofrem, em grande parte, a influência
da força gravitacional. O modo de andar diz muito sobre a história dos animais e vem sendo
estudada para compreensão dos custos envolvidos e evolução dos grupos. No caso de
humanos, por exemplo, a postura e padrão de deslocamento, bem como o posicionamento
dos elementos no esqueleto, ajuda a estabelecer o parentesco entre linhagens do gênero
Homo (Bramble e Lieberman, 2004). Dentre as maneiras de se deslocar dos animais
terrestres, podemos citar:
I.a) Rastejar
Padrão de deslocamento no qual o animal mantém o corpo sempre junto ao solo.
Pode ser observado em serpentes e anelídeos, por exemplo. Estes animais apresentam,
geralmente, um corpo mole. Por meio de alterações da pressão hidrostática do corpo, as
lagartas podem rastejar fazendo uso somente das patas anteriores e pró-patas posteriores.
As minhocas, contraindo a musculatura circular e longitudinal, conseguem mover-se por
meio de uma onda que vai da porção anterior para a posterior, ao contrário de alguns
poliquetas onde a onda de contração desloca-se na direção de locomoção do animal. As
serpentes e alguns nematódeos rastejam empurrando objetos que ficaram para trás, como
pedras e grama. Em alguns casos, as serpentes podem desenvolver outros tipos de
locomoção, como o peristaltismo retrógrado das minhocas.
I.b) Andar e correr
Este tipo de deslocamento é realizado por animais de esqueleto rígido e apêndices.
340

Evolução de Sistemas Fisiológicos
Os organismos capazes de andar e correr podem alcançar grandes velocidades e manter
poucas partes do corpo em contato com o substrato. A chamada marcha se dá movendo
alternadamente os apêndices de modo a manter o centro de gravidade pouco deslocado (no
caso dos quadrúpedes) ou no pé que está em contato com o solo (bípedes) . O tempo em
que os animais mantêm-se sem tocar o solo varia de acordo com a velocidade
desenvolvida. Em altas velocidades, os vertebrados tendem a permanecer pouco tempo em
contato com o solo, enquanto os insetos, por exemplo, mantêm sempre ao menos três patas
no chão. A resistência do ar oferece importante fator limitante ou de gasto energético para
corredores, sendo que pode comprometer até 13 % da energia total dispendida numa
corrida
A taxa metabólica específica de um animal é determinante nas variações de gasto
energético para diferentes inclinações do terreno de corrida: animais de taxa metabólica
específica elevadas apresentam pequeno aumento no gasto energético quando deslocamse
por uma subida íngime quando comparados a animais de baixa taxa metabólica
específica na mesma situação (McMahon e Bonner, 1985). É necessário dizer que músculos
e tendões constituem importantes sítios armazenadores de energia elástica, contribuindo
para uma diminuição do gasto energético esperado em determinada atividade. A importância
desta característica é percebida, principalmente, durante os saltos, quando cada fase de
contato com o substrato ocasiona dissipação de energia e conseqüente elevação dos gastos
necessários para o próximo salto, caso não haja armazenamento de energia elástica.
I.c) Saltar
Muitos animais como cangurus, pássaros e alguns roedores são capazes de saltar.
Para tal, mantêm contato com o solo por pouquíssimo tempo quando comparados aos não
saltadores. Cada organismo apresenta uma estratégia diferente para a realização do salto.
A pulga armazena energia elástica num material chamado resilina presente em suas patas,
trabalhando com uma espécie de catapulta. No caso do canguru, arranjos anatômicos como
a ocorrência de um tendão de Aquiles e músculos bem desenvolvidos proporcionam um
maquinário potente para o salto, capaz de armazenar energia elástica e mover o animal
vertical e horizontalmente (Dawson e Taylor, 1973). A velocidades maiores, o canguru tende
a aumentar a distância coberta por salto e não a altura máxima atingida, de modo que há
pouca variação no consumo de oxigênio. O primata galago tem 250 g e é capaz de saltar
2,25 m de altura. Tal proeza é possível devido à grande massa muscular relativa deste
animal. Forças físicas como a resistência do ar devem ser especialmente consideradas aqui,
levando-se em conta, inclusive, o tamanho e a forma do animal. Considerando-se modelos
que prevêem a altura máxima que um animal pode atingir, percebemos que quanto maior o
animal, mais próximo do desempenho previsto ele chegará. Isso acontece porque animais
menores apresentam uma maior área relativa em contato com o ar, sendo assim
impossibilitados de performances mais próximas às previstas.
341

V Curso de Inverno
Custo metabólico:
O custo metabólico da locomoção terrestre depende da massa do animal, da
distância percorrida, da taxa metabólica específica em repouso, da velocidade e do tipo de
deslocamento que o animal realiza (andar, correr, trotar, pular). O mesmo vale para o
deslocamento em meio aéreo e aquático, sendo que, para uma mesma massa, os custos da
natação tendem a ser menores.
II) Meio aquático
O meio aquático praticamente anula as forças gravitacionais possibilitando aos
animais que flutuem ou façam uso de outras forças durante o deslocamento. Para os
animais que possuem densidade maior que a da água, diferentes estratégias podem ser
adotadas de modo a produzir uma flutuabilidade neutra, como veremos a seguir. A
complexidade estrutural dos habitats das diferentes espécies pode também determinar o
estilo de nado (Kendall et al, 2007). Trabalhos com o peixe Lepomis macrochirus, mostram
que ele apresenta dois principais padrões de nado, de acordo com carcaterísticas
ambientais tais como ocorrência de vegetação exuberante e densidade de predadores:
utilização das nadadeiras peitorais ou ondulação do corpo, sendo que o custo energético
difere para cada padrão.
II.a) Boiar
A capacidade de um animal boiar depende da constituição de seu corpo. Um
organismo deve alcançar uma determinada densidade total que o torne neutro no ambiente
para que possa flutuar. Tal objetivo pode ser alcançado de diferentes formas, tais como
aumentar o volume de gordura no corpo (armazenada no fígado dos tubarões),aumentar a
quantidade de óleos nos tecidos (celacantos), aumentar grandemente o volume de
substâncias amoníacas (lula Helicocranchia) , diminuir a quantidade de sulfatos (águavivas),
criar cavidades preenchidas por ar (teleósteis e alguns cefalópodes), desenvolver
esqueletos leves (lula e seu esqueleto de quitina, a pena).
**A bexiga natatória dos teleóstei: a bexiga natatória desenvolveu-se a partir de um
divertículo do trato digestivo, localiza-se mais ou menos no meio do corpo e é preenchida
por gases provindos do sangue (fisóclistos) ou por deglutição a partir da superfície
(fisóstomos). O funcionamento da bexiga depende da rete mirabile, um arranjo contracorrente
dos capilares sangüíneos que impede a perda de gás da bexiga, e do Efeito Root, a
ação do ácido lático, neste caso, que favorece a liberação de oxigênio do sangue na bexiga.
II.b) Nadar
Para que o deslocamento na água seja possível, os animais devem valer-se de
movimentos que dêem impulso ao empurrar o meio líquido, tais como remadas, movimentos
ondulatórios, propulsão a jato.
Duas forças específicas têm grande importância na locomoção aquática: a força inercial e a
342

Evolução de Sistemas Fisiológicos
força viscosa. A primeira é uma propriedade física descrita por Newton que diz que um corpo
submetido a um conjunto de forças de resultante nula não sofre variação de velocidade.
Força viscosa seria a resistência oferecida por um fluido. A partir deses conceitos, Osborne
Reynolds (1983) propôs uma relação, mais tarde nomeada Número de Reynolds, que que
avalia a importância relativa da força inercial e da força viscosa sobre um corpo
deslocando-se num fluido. Em animais muito pequenos, a força predominante é a viscosa,
de modo que assim que páram de movimentar-se,o deslocamento cessa. Para organismos
maiores, a força inercial é mais importante. Tais relações têm especial relevância quanto às
estruturas desenvolvidas para natação nos animais a diferentes números de Reynolds.
Cílios e flagelos são geralmente observados em organismos muito pequenos enquanto
músculos propulsores surgiram nos animais de maior porte.
A potência necessária para realizar deslocamento sob a água aumenta muito com a
velocidade, de modo que animais que nadam desenvolvem velocidades inferiores aos
voadores, por exemplo. Alguns animais como o atum, tartarugas-marinhas e pingüins usam
a cauda ou os membros anteriores como hidrofólios, gerando propulsão para a frente e uma
força para cima que os ajuda a flutuar. Também o fazem alguns cefalópodes e tubarões,
sendo que parte da força criada para cima provém de propulsão a jato, no caso dos
primeiros, e movimentos da cauda, nos segundos. A propulsão a jato pode ser gerada
eliminando-se água de uma cavidade (manto em cefalópodes, cavidade gastrovascular em
águas-vivas) de modo que essa saída resulte no movimento do organismo todo.
Custo metabólico:
O custo metabólico para o nado depende de variáveis como velocidade e número de
Reynolds, e é proporcional à massa do organismo (o custo metabílico é baseado na taxa de
consumo de oxigênio para deslocar determinada massa em determinada velocidade).
III)Meio aéreo
O vôo evoluiu independentemente em 4 grupos distintos: os insetos, os Pterosauros,
as aves e os morcegos. A massa dos maiores voadores alcança cerca de 10 Kg. Os
princípios que regem a movimentação no ar são muito semelhantes aos da água. No
entanto, o primeira oferece uma série de complicações, como o fato do ar ser muito menos
denso (não oferecer flutuação) e do animal ter de criar uma força de ascensão tal que
contrabalanceie totalmente sua massa. Quase todos os animais que voam buscam força
para manterem-se no ar por meio de formas aerodinâmicas e músculos peitorais vigorosos
( o caso das aves), exceto os muito pequenos, cujas asas são projetadas para criar força de
subida por arrasto.
III.a) Planar
Os animais que planam têm um custo metabólico de mais ou menos duas vezes seu
metabolismo basal. O movimento envolve pouco gasto de energia uma vez que se trata do
343

V Curso de Inverno
uso de um fenômeno físico (uso de correntes de ar), cujo único gasto provém da
manunentação das asas abertas e rígidas.
III.b)Vôo batido
Neste tipo de vôo, os animais são capazes de manter uma velocidade constante para
frente e uma altitude, usando energia muscular para gerar a força de subida. Forças de
arrasto estão envolvidas no batimento das asas. Para que o vôo seja possível, o animal
deve ser capaz de gerar a potência necessária, o que é impossível para aves muito grandes
tais quais os avestruzes que têm uma massa grande demais para ser levantada, tornando a
sustentação aérea muito dispendiosa em termos energéticos.
Notamos , então, que a massa é fator determinante na viabilidade do vôo. Nos insetos como
alguns Ephemeroptera, por exemplo, houve uma redução do sistema digestivo e/ou
quantidade de ovos – quanto comparados a outros insetos- a fim de reduzir a carga a ser
levantada.
Comparações
As formas de deslocamento são distribuídas de modo a minimizar os custos
locomotores a uma dada velocidade ou para minimizar o estresse mecânico (Alexander,
1989). A seguir, custos de deslocamento para cada um dos meios (McMahon e Bonner,
1985):
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Revisado por José Eduardo Wilken Bicudo
345

V Curso de Inverno
Ajustes fisiológicos de anfíbios
em ambientes com baixa disponibilidade de água
Ivan Prates
Laboratório de Ecofisiologia e Fisiologia Evolutiva
ivanprates@gmail.com
Os anfíbios e os gradientes de disponibilidade hídrica
Ainda que grandemente modificados de seus ancestrais do Devoniano, os anfíbios
modernos são muitas vezes considerados elementos de transição entre o modo de vida
totalmente aquático e o terrestre (Claussen, 1973). Essa concepção suporta-se na grande
importância da disponibilidade de água líquida para esses animais, expressa em diversos
aspectos de sua biologia: a contribuição da respiração cutânea para muitas espécies, e o
caráter associado do fluxo de gases respiratórios e de água; a presença, com poucas
exceções, de uma fase larval aquática no ciclo de vida, bem como a necessidade do meio
aquático para reprodução; a limitada capacidade de concentração da urina pelos rins; e o
fato de que, em geral, a pele dos anfíbios não protege o corpo da perda de água por
evaporação, sendo sua principal via de desidratação (Jorgensen, 1994; Pough et al. 1998;
Shoemaker et al. 1992). A dependência da água, de qualquer forma, não impediu que os
anfíbios invadissem muitos ambientes terrestres (Claussen, 1973). Nesse aspecto, é
interessante que esses animais ocorram em ambientes que apresentam diferentes graus de
disponibilidade hídrica, havendo inclusive formas bem sucedidas na colonização de
ambientes de clima semi-árido (Duellman e Trueb, 1994). Na caatinga brasileira, por
exemplo, os anuros estão representados por 40 espécies em cinco famílias (Rodrigues,
2003), o que pode ser considerado exuberante para um ambiente de clima semi-árido
(Navas et al. 2004). Para a ocupação bem sucedida de ambientes terrestres, os anfíbios
desenvolveram diversos mecanismos de ordem fisiológica, morfológica e comportamental
(Toledo e Jared, 1993).
Pouca água...
Paralelamente aos aspectos do comportamento, diferentes propriedades de caráter
fisiológico estão envolvidas com a manutenção das relações hídricas em anfíbios. Dentre
elas, as propriedades do tegumento são consideradas em uma parcela substancial dos
estudos. As abordagens que estudam o papel da pele no balanço hídrico desses animais
levam em conta a cinética do influxo e efluxo em diferentes condições e as características
cutâneas que modulam as trocas de água com o ambiente (ver Shoemaker et al. 1992 e
Toledo e Jared, 1993 para revisões).
Desidratação
346

Evolução de Sistemas Fisiológicos
Com poucas exceções, a pele dos anfíbios não protege o corpo da perda de água
por evaporação através da pele, de forma que as espécies terrestres estão
permanentemente sob risco de desidratação (Jorgensen, 1994; Pough et al. 1983; Toledo e
Jared, 1993). Os animais desprovidos de mecanismos fisiológicos para redução da perda
evaporativa de água são definidos como “típicos”, sendo notáveis por apresentar taxas de
desidratação equivalentes àquelas de uma superfície de água livre de mesmo tamanho e
forma exposta às mesmas condições ambientais (Wygoda, 1984). A partir da tomada dos
valores de taxas de desidratação de muitas espécies, elucidou-se que as formas aquáticas e
semi-aquáticas comportam-se como típicas. Da mesma forma, as espécies terrestres não
dispõem em geral de mecanismos fisiológicos para redução da perda evaporativa de água
(Shoemaker et al. 1972; Wygoda, 1984). Nesse sentido, as formas terrestres diferem das
demais primariamente por apresentar maior tolerância a grandes perdas de água
(Jorgensen, 1994; Shoemaker et al. 1972) e por evitar a desidratação por meios
comportamentais (Shoemaker et al. 1972). Por outro lado, as espécies de hábito arborícola
têm se revelado atípicas, de forma que, quando comparadas a gêneros terrestres e
aquáticos ou semi-aquáticos, possuem taxas de perda de água que são, no máximo,
metade das dos demais (Wygoda, 1984).
Apesar do caráter incomum dos mecanismos que previnem a desidratação através
do tegumento, a importância de baixas taxas de perda evaporativa de água foi descrita para
uma série de anfíbios que ocorrem em ambientes de clima semi-árido. Em anuros do gênero
Phyllomedusa, por exemplo, essas taxas aproximam-se daquelas apresentadas por répteis,
sendo até duas ordens de grandeza menores do que em Bufo, Rana e Scaphiopus
(Wygoda, 1984). Essa propriedade foi associada à produção, pela pele, de secreções
impermeabilizantes, de natureza lipídica, que são espalhadas sobre a superfície dorsal e
cabeça através de movimentos estereotipados das patas (Shoemaker et al. 1992;
Shoemaker et al. 1975). De forma semelhante, secreções de natureza lipídica e protéica
conferem aos hilídeos australianos Litoria caerulea e Cyclorana australis taxas de
desidratação reduzidas (Christian e Parry, 1997).
Na Caatinga brasileira, o hilídeo Corythomantis greeningi apresentou cerca de
metade das taxas de perda evaporativa de água atribuídas a anuros típicos, uma
propriedade possivelmente associada à alta densidade de glândulas da pele e à presença
de sais de cálcio na derme (Navas et al. 2002). Especula-se que a camada dérmica
calcificada presente em certos anfíbios, em particular naqueles mais terrestres, esteja
associada à absorção ou retenção de água (Toledo e Jared, 1993). Adicionalmente, a
presença de iridóforos na derme de racoforídeos dos gêneros Chiromanthis e Hyperolius
parece ser responsável por reduzidas taxas de desidratação, uma vez que tais
cromatóforos, ricos em cristais insolúveis de bases purinas, formam uma barreira à
passagem de água (Kobelt & Linsenmair, 1986).
347

V Curso de Inverno
Rehidratação
Outro importante aspecto das relações hídricas em anfíbios trata da tomada de água.
Os anfíbios não bebem; o influxo de água no corpo desses animais se dá pela pele (Toledo
e Jared, 1993b; Shoemaker et al. 1992). Em formas terrestres, a alta susceptibilidade à
perda de água está associada à alta tolerância à desidratação, bem como à capacidade de
rápida rehidratação por absorção quando o contato com umidade é estabelecido
(Jorgensen, 1994). Em anuros terrestres, foi observado que a área pélvica da superfície
abdominal é especializada para a tomada de água. McClanahan et al. (1969), ao analisar as
taxas de tomada de água em segmentos da superfície corpórea de Bufo puntactus, uma
espécie do sudoeste semi-árido dos EUA, concluíram que a tomada de água na área
peitoral do abdômen é desprezível quando comparada à área pélvica. Adicionalmente,
esses autores verificaram que a pele dorsal e cabeça têm pouca importância na tomada de
água, de forma que a área pélvica, que corresponde à cerca de 10% da superfície corpórea
nesses animais, responde por 70% das taxas de absorção de água. Nessa espécie, essa
região é caracterizada por menor espessura e maior vascularização quando comparada a
outras porções da pele (McClanahan et al. 1969). Em geral, o tegumento da porção
abdominal das espécies terrestres é mais granuloso do que o de espécies aquáticas, o que
presumidamente aumenta a superfície para absorção de água (Toledo e Jared, 1993).
Todos os anfíbios testados até aqui absorvem água através da pele quando em meio
aquático (Shoemaker et al. 1992), mas a tomada de água em substrato apenas úmido foi
demonstrada para uma série de espécies (Claussen, 1973; Jorgensen, 1994; Packer, 1963).
Packer (1963) postula que essa capacidade é ecologicamente relevante para muitas
espécies, como as que ocorrem em ambientes de clima semi-árido, que nunca voltam à
água após a metamorfose.
Na Austrália, as taxas de reidratação de quatro espécies de Neobatrachus estão
fortemente correlacionadas à quantidade de dias do ano em que chove nos seus locais de
origem. Por outro lado, essa mesma relação não foi verificada para cinco espécies do
gênero Heleiporus, que ocorrem ao longo do mesmo gradiente. Os autores verificaram,
entretanto, que as espécies do segundo gênero se enterram profundamente no solo em
busca das camadas mais úmidas, concluindo que, se há um padrão comportamental que
suprime o risco de desidratação, a capacidade de absorção não terá de ser paralela ao grau
de aridez do ambiente (Bentley et al. 1958).
Excreção
Entre os anfíbios, a excreção de nitrogênio se dá geralmente na forma de amônia e
uréia, sendo ureotélicas as espécies mais terrestres (Shoemaker et al. 1972). A excreção de
ácido úrico, característica de aves e répteis, exige um volume menor de água e,
surpreendentemente, foi relatada para alguns sapos de ambientes semi-áridos. A
capacidade de osmorregulação em situações de estresse hídrico é maior em espécies do
348

Evolução de Sistemas Fisiológicos
gênero arborícola Phyllomedusa do que três outras espécies de hilídeos (Hyla pulchella,
Pachymedusa dacnicolor e Agalychnis annae) (Shoemaker e McClanahan, 1975). Quando
privados de água, observa-se nos phyllomedusíneos um aumento menor das concentrações
plasmáticas em comparação com as demais espécies. A excreção de nitrogênio na forma de
ácido úrico previne o acúmulo plasmático de uréia e vem acompanhada com a excreção de
Na + , K + e NH4 + . Ao excretar 80% dos resíduos de nitrogênio na forma de ácido úrico,
Phyllomedusa sauvagei economiza 93% da água que seria necessária para a excreção dos
mesmos resíduos na forma de uréia (Shoemaker e McClanahan, 1975).
Muito sal!
A limitada capacidade de concentração da urina e a pele muito permeável impedem
que os anfíbios de maneira geral vivam em ambientes de água salgada. Entretanto, existem
espécies que toleram água salobra. Dentre elas, a surpreendente Rana cancrivora, que vive
em manguezais do sudeste da Ásia, sobrevive por períodos prolongados em misturas de até
80% de água do mar. Em uma estratégia semelhante à dos elasmobrânquios, esses animais
mantém a osmolalidade do plasma em níveis superiores à da água do meio, através da
concentração de uréia de sangue (Schmidt-Nielsen e Lee, 1972). Essa condição, que
promove a entrada passiva de água através da pele permeável, preserva os animais dos
problemas em ingerir água salgada, como a eliminação de sais, para os quais seu sistema
excretor não está capacitado. Essas rãs têm filtragem gromerular reduzida e elevada
reabsorção tubular de água nos rins (Schmidt-Nielsen e Lee, 1972). Aumentos intracelulares
nos níveis de uréia e aminoácidos garantem o equilíbrio osmótico dos tecidos com o sangue
(Gordon e Tucker, 1968). Os girinos não são capazes de acumular uréia nos fluídos
corpóreos; nessa fase, há evidências de que os animais ingerem água do meio e excretam o
excedente de sais através das brânquias, como fazem os peixes teleósteos (Gordon e
Tucker, 1965).
Estivação
Para várias espécies de anfíbios de clima semi-árido, a sobrevivência durante o
período de estiagem está associada ao comportamento de estivação (Abe, 1995; Storey e
Storey, 1990; Pinder et al., 1992). A estivação preserva o animal das elevadas temperaturas,
da baixa umidade atmosférica e da ausência de fontes para reidratação. É um fenômeno
complexo que inclui diversos ajustes fisiológicos.
Durante a estivação, há redução da taxa metabólica, que pode chegar a 85% na rã
Neobatrachus wilsmorei (Hand e Hardewing, 1996). Ocorre incremento na dependência dos
lipídeos como fontes de energia. Paralelamente, uma baixa taxa de gliconeogênese se
mantém, de forma que glicose é sintetizada a partir de glicerol ou aminoácidos para manter
a atividade dos tecidos dependentes, como o cérebro (Fuery et al. 1998). A síntese protéica,
um processo custoso, é suprimida (Hand e Hardewing, 1996). Em anuros, a estivação é
349

V Curso de Inverno
caracterizada por uma drástica redução na respiração cutânea, com conseqüente redução
da perda de água (Guppy & Withers 1999; Abe, 1995; Guppy, et. al., 1994; Hochachka &
Guppy 1987).
Várias espécies de anuros, dentre hilídeos, ranídeos, leptodactilídeos e outros, bem
como alguns urodelos, apresentam a habilidade de secretar carapaças (cocoons)
compostas por várias camadas de células mortas, de natureza essencialmente protéica, que
lhes conferem taxas de perda de água muito próximas a zero (Christian e Parry, 1997;
Toledo e Jared, 1993b). Esses casulos são essenciais à sobrevivência de vários anuros que
estivam. Adicionalmente, a reabsorção da água estocada na bexiga urinária é um
mecanismo fundamental a sobrevivência dessas espécies (Shoemaker et al. 1972).
Finalmente, enquanto mamíferos não suportam a perda de água em mais do que 12% de
sua massa, anfíbios toleram até 30%, chegando a 50% em sapos estivadores do semi-árido.
Nos anfíbios de ambientes semi-áridos, o tempo disponível para reprodução
corresponde à estação chuvosa. Em resposta a essa limitação de tempo, a maioria das
espécies que estivam apresentam reprodução explosiva, que se inicia com as primeiras
chuvas (Pinder et al., 1992). Portanto, paralelamente aos ajustes metabólicos, os anfíbios
precisam iniciar a custosa gametogênese, a partir de reservas protéicas. Finalmente, a
estivação exige ajustes cronobiológicos, que determinam seu início e fim. Esse fenômeno
complexo, que assegura a manutenção do balanço hídrico no semi-árido, exigiu
evolutivamente o ajuste simultâneo de vários sistemas fisiológicos.
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Revisado por Carlos Arturo Navas Ianinni
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Evolução de Sistemas Fisiológicos
Introdução à Endocrinologia Comparada:
Fatos e Curiosidades
Vânia Regina de Assis
Laboratório de Ecofisiologia e Fisiologia Evolutiva
v.regina.a@ib.usp.br
Flávio da Silva Nunes
Médico Veterinário Autônomo
medvetfisio@gmail.com
INTRODUÇÃO À ENDOCRINOLOGIA
A endocrinologia é o estudo dos hormônios, mensageiros químicos que atuam sobre
órgãos alvo e influenciam muitos processos, que vão do crescimento à reprodução. São
secretados por glândulas sem ductos, denominadas glândulas endócrinas, e possuem
diferentes ações: 1) Endócrina (hormônio secretado que alcança os órgãos alvo via corrente
sangüínea); 2) Parácrina (hormônio secretado no interstício celular e que age em outras
células); e 3) Autócrina (hormônio secretado no interstício celular e que age na própria
célula e em células vizinhas). Ao contrário das glândulas endócrinas, as glândulas exócrinas
não produzem hormônios e liberam suas secreções por ductos ou canais, como as
glândulas lacrimais, salivares e sudoríparas.
O hormônio recebe este nome, não só por ser um tipo de produto bioquímico, mas
por sua função. É uma substância que ativa, inibe ou modula a atividade de células alvo.
Quanto à natureza química podem ser classificados como proteínas (peptídeos), derivados
protéicos (aminoácidos modificados) ou esteróides. Para exercer suas ações deve se ligar,
com alta afinidade, a um receptor específico. Estes receptores podem estar localizados na
membrana celular, como no caso de muitos receptores para hormônios protéicos, ou no
núcleo, como no caso dos receptores para hormônios esteróides.
Uma vez que um hormônio é liberado na corrente sangüínea ele pode circular
livremente, se for solúvel em água (hidrofílico), ou pode estar ligado a uma proteína
carreadora. Devido à natureza química dos diferentes hormônios, alguns não são solúveis
no plasma (hidrofóbico) e por isso necessitam de uma proteína (que seja solúvel e que
permita a ligação com esse hormônio) para ser transportado. Este é o caso dos hormônios
esteróides, por exemplo, por sua natureza lipídica, se eles não estiverem ligados a uma
proteína de transporte, eles não conseguem circular no sangue devido a sua insolubilidade.
Em geral, aminas, peptídeos e proteínas por serem solúveis, circulam na sua forma livre.
Além dos hormônios, existem outras categorias de mensageiros químicos:
Neurohormônios
Dentro do sistema nervoso de todos os animais, de celenterados e vermes chatos a
seres humanos, há células que mostram indicações citológicas de serem capazes de
funcionar como glândulas. Neurohormônios são mensageiros químicos liberados por
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V Curso de Inverno
células neurosecretoras do sistema nervoso e são transportados por todo o corpo tanto
através dos axônios dos neurônios quanto através da corrente sangüínea. Estas células são
capazes de conduzir impulsos, mas não inervam órgãos efetores; recebem informações dos
centros neurais via neurônios aferentes e respondem através da liberação de mensageiros
químicos. O terminal axônico está tipicamente em contato com vasos sangüíneos, mas
também pode estar dentro de órgãos neurohemais (centros de armazenamento e liberação)
tais como a neurohipófise, a eminência mediana de vertebrados e a glândula do seio de
crustáceos.
Curiosidades:
• Há situações nas quais um mesmo produto de uma glândula endócrina pode estar
ativo dentro do indivíduo (hormônio) e entre indivíduos de uma colônia (feromônio).
Certos hormônios da corpora allata de cupins provavelmente funcionam desta forma.
• Há também casos de hormônios do hospedeiro influenciando o comportamento
reprodutivo de parasitas que habitam seus tecidos e órgãos. Neste caso uma mesma
substância serve como hormônio (para o hospedeiro) e feromônio (para o parasita).
• Algumas plantas produzem compostos secundários que interrompem a reprodução, de
invertebrados e vertebrados, através de seus efeitos nos hormônios esteróides e em
seus receptores. Algumas plantas mimetizam o hormônio da muda de artrópodes,
fazendo com que os animais sofram mudas consecutivas e não possam se reproduzir..
Neurotransmissores
Atuam nos terminais nervosos em pequenas quantidades, sobre curtos períodos de
tempo e não empregam vias vasculares para a sua disseminação; provém de células
nervosas convencionais e não secretórias. Exemplos: acetilcolina e noradrenalina.
Fitohormônios
São os hormônios vegetais, como as giberelinas, auxinas, florígenos... As
células vegetais que sintetizam os fitohormônios não são suficientemente diferenciadas para
serem consideradas glândulas de secreção endócrina, além disso, os hormônios vegetais se
movem principalmente por transporte via célula a célula ao invés de utilizarem os canais
vasculares.
Feromônios
Este termo foi originalmente aplicado para a substância de atração sexual em
insetos, mas atualmente incluí vários tipos de agentes liberados no ambiente e funcionam
em todos os grupos principais de animais, para a integração dos indivíduos dentro de uma
mesma população. Podem ser ingeridos, absorvidos através das superfícies corpóreas ou
percebidos pela olfação. Não são propriamente hormônios por serem produtos de glândulas
exócrinas (glândulas cujas secreções são liberadas por ductos ou canais, como nas
354

Evolução de Sistemas Fisiológicos
glândulas lacrimais, salivares e sudoríparas), contudo a capacidade das glândulas exócrinas
produzirem feromônios é freqüentemente dependente de estímulos hormonais.
Os feromônios diferem dos hormônios em vários aspectos: 1) são transmitidos via
ambiente externo; 2) são geralmente mais espécie-específicos; 3) atuam sobre outros
indivíduos, enquanto os hormônios tipicamente têm suas atividades confinadas no
organismo que os produziu.
Glândulas endócrinas estão presentes em alguns invertebrados, elas são poucas em
número e bem menos especializadas do que em vertebrados. Do ponto de vista da
anatomia comparada, as glândulas endócrinas não passaram por mudanças estruturais
notáveis nas várias classes de vertebrados, mas tiveram importantes mudanças
filogenéticas em suas propriedades químicas e ações hormonais dentro do corpo de
vertebrados.
ORGANIZAÇÃO GERAL DO SISTEMA ENDÓCRINO EM VERTEBRADOS
Ocorreram poucas mudanças na posição das estruturas durante a evolução, então
esta figura serve para quase todos os vertebrados (Figura1).
Figura 1 - Localização aproximada das glândulas endócrinas em humanos. (http://
www.horacertacascavel.com/saude/empresas.php?cat=11&ramo=4)
Curiosidades:
A PRL estimula em:
Peixes teleósteos: construção de ninho, crescimento e secreção das vesículas seminais,
preparação para a migração.
Anfíbios: mudanças na pele, secreção de geléia no oviduto, espermatogênese ou antiespermatogênese
(término do ciclo de atividade sexual dos machos).
Aves: secreção do leite do papo (em columbídeos), formação de bando, efeitos prémigratórios
(lipogênese, deposição de gordura, agitação), cuidado parental. No pingüim
imperador (Aptenodytes forsteri, fêmeas com níveis muito elevados de prolactina e que
perderam seus filhotes exibem o comportamento de roubo de filhotes.
355

V Curso de Inverno
HIPÓFISE OU GLÂNDULA PITUITÁRIA
O centro de controle do sistema endócrino em vertebrados é a hipófise ou glândula
pituitária, uma vez que seus hormônios controlam o metabolismo de diversas outras
glândulas. É uma glândula endócrina, não pareada, situada na sela túrcica (uma cavidade
do osso esfenóide) na parte central da base do crânio (entre os olhos), que se liga ao
hipotálamo através do pedúnculo hipofisário ou infundíbulo. Nos seres humanos, tem o
tamanho aproximado de um grão de ervilha (Figura 2).
É formada a partir de duas estruturas embrionárias distintas, e assim é divida em:
lobo anterior (ou adenohipófise - originada de células epiteliais), e lobo posterior (ou
neurohipófise - de origem nervosa, não produz hormônios, armazena e lança na circulação
os hormônios produzidos pelo Hipotálamo). Entre estes dois lobos está o lobo intermédio,
que secreta o hormônio melanotrófico (MSH) ou intermedina, importante no controle da
pigmentação
da pele de
p e i x e s ,
a n f í b i o s e
répteis.
Figura 2 -
Localização e
divisão da
Hipófise.
A hipófise secreta uma série de hormônios que dirigem funções vitais diversas tais
como crescimento, desenvolvimento sexual, volume urinário etc. Os hormônios hipofisários
que estimulam outras glândulas do corpo são chamados hormônios tróficos. Os principais
órgãos alvo sob o controle dos hormônios tróficos são a o córtex da adrenal, a tireóide,
testículos e ovários.
Adenohipófise
Secreta diversos hormônios:
GH ou STH - hormônio de crescimento, também conhecido como hormônio
somatotrófico. Promove o alongamento dos ossos, estimula a síntese de proteínas e o
desenvolvimento da massa muscular.
PRL - prolactina ou hormônio lactogênico. Em mamíferos estimula a produção de
leite pelas glândulas mamárias. Sua produção se inicia no final da gestação, aumenta após
o parto e persiste enquanto durar o estímulo da sucção.
TSH - hormônio tireotrófico. Age sobre a tireóide, estimulando à secreção de seus
hormônios.
356

Evolução de Sistemas Fisiológicos
ACTH - hormônio adrenocorticotrópico. Regula a atividade do córtex da glândula
surpa-renal ou adrenal. Estimula a secreção de glicocorticóides.
FSH - hormônio folículo-estimulante. Estimula a produção de espermatozóides nos
testículos, e o desenvolvimento de folículos no ovário.
LH - hormônio luteinizante. Estimula a liberação dos hormônios sexuais.
Neurohipófise
Não é um órgão produtor de hormônios. Libera na circulação dois hormônios que são
sintetizados pelo hipotálamo, e que chegam até ela pelos prolongamentos dos neurônios.
Ocitocina - Estimula as contrações do útero, durante o trabalho de parto. Provoca,
também, em mamíferos, contrações dos ductos das glândulas mamárias e a saída do leite.
Durante a lactação, a sucção do mamilo estimula a neurohipófise a secretar a ocitocina.
Portanto, conclui-se que a prolactina estimula a produção do leite; a ocitocina determina sua
ejeção.
ADH - hormônio antidiurético (também conhecido como vasopressina ou AVP
(arginina vosopressina)). Aumenta a permeabilidade dos túbulos renais à água, aumentando
sua reabsorção. Com isso, o volume da urina produzida diminui e ela torna-se mais
concentrada. Além disso, esse hormônio provoca vasoconstrição e pode elevar a pressão
arterial.
TIREÓIDE
Presente em todos os grupos de vertebrados, mas ausente em invertebrados e
protocordados, embora o endóstilo do anfioxo mostre algumas propriedades funcionais da
tireóide.
Um dos precursores da tiroxina (T4), a diiodotrionina, é encontrada no esqueleto
orgânico de corais. Esqueletos de esponjas e corais contêm também moniodotirosina,
monobromotirosina, dibromotirosina e até traços de tiroxina. A tiroxina e seus precursores
têm sido encontrados em muitos invertebrados, e estudos indicam que eles se tornaram
disponíveis para esses organismos, antes mesmo que uma discreta glândula tireóide se
desenvolvesse. Entretanto, a presença dessas substâncias em invertebrados não significa
que elas tenham a mesma função nestes animais que nos vertebrados.
A maioria dos vertebrados não pode atingir dimensões e forma adulta na ausência
das secreções da tireóide: T3 - Triiodotironina e T4 – Tiroxina (Figura 3). Efeitos dos
hormônios da tireóide no desenvolvimento são vistos na metamorfose das larvas de
anfíbios, onde esses hormônios são essenciais. Em salmão, ocorre um aumento da taxa
metabólica e hiperatividade da tireóide quando o animal se prepara para a migração para o
mar.
357

V Curso de Inverno
Figura 3 - Localização da glândula tiróide em humanos.
(http://www.virtual.epm.br/material/tis/curr-bio/trab2004/2ano/obesidade/tireoide.jpg)
ADRENAIS OU SUPRA-RENAIS
Tecidos da adrenal estão presentes em todos os vertebrados de ciclóstomos a
mamíferos, mas profundas diferenças são encontradas na organização dos componentes
funcionais - células esteróidogênicas e células cromafins.
O córtex é a região mais externa das glândulas supra-renais, onde são produzidos
vários hormônios esteróides. Os mineralocorticóides (como a aldosterona) são produzidos
na Zona Glomerulosa (mais externa), os glicocorticóides (como a corticosterona) são
produzidos na Zona Fasciculata (intermediária) e os andrógenos (testosterona e DHT -
dihidrotestosterona) que são produzidos na Zona Reticularis (mais interna).
A medula é fonte de epinefrina (ou adrenalina), um hormônio circulante e também de
norepinefrina (ou noradrenalina), um neurotransmissor. É geralmente ativada conjuntamente
com o Sistema Nervoso Simpático e age sinergicamente com ele (Figura 4).
Curiosidades:
• Em animais homeotermos, que são ativos ao longo do ano, a tireóide é geralmente
mais ativa durante os meses frios de inverno do que durante o verão. Contudo em
mamíferos hibernantes, a tireóide tende a estar inativa durante o inverno e alcança um
pico de atividade na primavera, quando os animais saem da hibernação.
• Observações indicam que o inverso ocorre em heterotermos hibernantes. Em rãs e
sapos hibernantes, a tireóide é moderadamente ativa durante o inverno e mais inativa
durante o verão.
INVERTEBRADOS
Os órgãos endócrinos em crustáceos, como em insetos, estão presentes em 3
categorias: 1) agregados de células neurosecretoras que produzem neurohormônios
liberando-os nos terminais axônicos (que parece ser a forma mais comum); 2) órgãos
neurohemais de armazenamento, possibilitando modificação e liberação desses
358

Evolução de Sistemas Fisiológicos
neurohormônios; 3) glândulas endócrinas verdadeiras (não-neurais) que liberam hormônios
no sangue.
Figura 4 - Corte transversal da adrenal,
indicando as zonas da região cortical e a
região medular, destacando os locais de
produção hormonal.
(http://www.mmi.mcgill.ca/
mmimediasampler2002/images/
zingg-61no2.gif)
I m p o r t a n t e s c e n t r o s
neurosecretores são encontrados em
conexão com o gânglio óptico, que
fica dentro dos olhos pedunculados.
Os mais conhecidos são os órgãos X,
que estão presentes na maioria das
espécies com olhos pedunculados, ou
na cabeça, quando estes estão
ausentes. Agrupamentos de células neurosecretoras também são encontrados na glândula
protorácica.
Em crustáceos existem 3 glândulas endócrinas que não são compostas por
neurônios neurosecretores: os órgãos Y (localizados no segmento antenal ou maxilar), as
glândulas androgênicas (localizadas fora dos testículos, ao longo dos vasos deferentes,
presentes também em algumas espécies de insetos) e os ovários. A glândula do seio é um
órgão de armazenamento e liberação de neurohormônios.
A muda
O crescimento é um processo descontínuo em artrópodes, o aumento de tamanho
está restrito ao período entre a perda do exoesqueleto antigo e a produção do novo. É um
processo que pode ser sazonal ou contínuo, é influenciado por uma grande variedade de
condições ambientais.
Estudos revelaram que células neurosecretoras do órgão X secretam um
neurohormônio inibidor da muda, que é estocado e liberado pela glândula do seio, enquanto
os órgãos Y produzem um hormônio que estimula o processo.
Em insetos a ativação de células neurosecretoras do cérebro produz o hormônio
cerebral (BH), os axônios desses neurônios desembocam na corpora cardiaca, onde são
armazenados e posteriormente liberados para o sangue. O BH atua sobre as glândulas
protorácicas estimulando a produção de ecdisona (o hormônio da muda - MH), que promove
crescimento e diferenciação.
359

V Curso de Inverno
Curiosidade:
• Os órgãos Y são análogos (e possivelmente homólogos) às glândulas protorácicas
de insetos. As glândulas protorácicas degeneram em insetos adultos, após a última
muda, e os órgãos Y estão bastante reduzidos em caranguejos durante a anecdise
O hormônio juvenil (JH) é secretado pela corpora allata. Enquanto a função do MH é
causar a diferenciação dos tecidos corpóreos para estruturas adultas, a do JH é manter as
estruturas larvais ou ninfais. A atividade secretora da corpora allata também é regulada pelo
sistema nervoso, e a quantidade de JH presente no sangue diminui progressivamente com
as mudas sucessivas. O JH é essencial para a deposição de vitelo nos ovos e a formação
de espermatóforos em muitas espécies de insetos.
A diferenciação ocorre sob a influência da ecdisona, quando os níveis de JH estão
reduzidos.
Reprodução
Há evidências da existência de mais hormônios sexuais em crustáceos superiores do
que em outros invertebrados. Os hormônios regulam a diferenciação dos caracteres sexuais
de machos e fêmeos através das glândulas androgênicas e dos ovários, respectivamente.
Os testículos provavelmente não têm função endócrina.
Conclusão
Podemos perceber que a ocorrência de substâncias sinalizadoras (como neuro
secreções, feromônios, hormônios) é bastante primitiva do ponto de vista evolutivo, e
mantida em muitos grupos. Isso demonstra a importância dessas substancias para o
funcionamento dos sistemas fisiológicos e também deixa claro que a conservação, tanto
estrutural quanto funcional, é uma característica da evolução.
Referências Bibliográficas
Griffin, J. E.; Ojeda, S. R. 1996. Textbook of Endocrine Physiology. 3ª edição. 396p.
Nelson, R. J. 1995. An Introduction to Behavioral Endocrinology. 612p.
Prosser, C. L. 1991. Neural and Integrative Animal Physiology. 4ª edição. 776p.
Turner, C. D.; Bagnara, J. T. 1971. General Endocrinology. 5ª edição. 659p.
Wynne-Edwards, K. E. 2001. Evolutionary biology of plant defenses against herbivory and their
predictive implications for endocrine disruptor susceptibility in vertebrates. Environ. Health.
Perspect. 109:443-448.
Revisado por Carlos Arturo Navas Ianinni
360

Evolução de Sistemas Fisiológicos
Mecanismos Neurosensoriais e “O Exemplo da Visão”
Antonio Carlos da Silva
Laboratório de Ecofisiologia e Fisiologia Evolutiva
acsilva@gmail.com
Todos os animais necessitam receber e interpretar corretamente as informações do
meio ambiente interno e externo. Um pássaro em uma manhã de primavera ouvindo o
canto de outros machos competidores em busca de uma fêmea para acasalar, um lagarto do
deserto buscando abrigo do sol escaldante, ou uma águia em seu vôo em busca de uma
presa - em todos os exemplos, estes animais precisam de uma acurada informação sobre o
que ocorre ao seu redor para decidirem o que fazer em seguida. A sua decisão poderá ser
apropriada somente se a informação oferecida pelo meio ambiente for corretamente
codificada e transformada em sinais que possam ser processados pelos neurônios
cerebrais.
De fato, isso só é possível por existirem órgãos sensoriais que providenciam os
canais de comunicação destes estímulos do mundo externo para o sistema nervoso. Os
órgãos sensoriais são compostos de células especializadas e respondem a uma classe
particular de estímulos. Eles estão posicionados em muitos locais entre a superfície e o
interior do corpo (neurônios que carregam os estímulos da periferia para o sistema nervoso
central, chamados de neurônios aferentes. Neurônios que carregam a informação do
sistema nervoso central para periferia são chamados de eferentes).
Ao listarmos as modalidades sensoriais (ex. tipos de informações sensoriais que
podemos distinguir) tipicamente incluímos a mudança de temperatura, o tato, o olfato,a
gustação e a visão. Todas estas modalidades envolvem importantes sistemas sensoriais
internos, por exemplo, proprioceptores que monitoram a posição do músculo (ex. relaxado,
contraído).
No caso da “visão” uma variedade de tipos e estruturas de olhos é encontrada no
reino animal, além de estruturas que permitem a percepção luminosa em grupos de animais
unicelulares (células fotorreceptoras dermais). Estudos filogenéticos relevaram que todos os
filos animais já apresentaram de alguma forma um “órgão sensível a luz”, o que nos leva a
tentar compreender quais as soluções encontradas por cada grupo de animais durante o
processo de evolução em que resulta essa enorme diversidade (Halder et al.1995).
Estas estruturas (ex. ocelos, olhos compostos, olhos em câmara) que permitiram aos
organismos “perceberem” estímulos luminosos nos levam a relembrar Darwin em “ como a
seleção natural.... pode produzir um órgão tão maravilhoso como o olho” (Darwin 1859).
As unidades básicas do olho, as células fotorreceptoras, podem ser divididas em
duas grandes classes, uma ciliar (conjunto de cílios sensíveis a luz) e um tipo rabdomerico
(microvilar) o qual é constituído por um conjunto de células receptoras de luz, paralelas
umas às outras, o exemplo mais comum é em olhos compostos de insetos que são
361

V Curso de Inverno
formados por omatídeos (um pequeno sensor que distingue a claridade da escuridão) e este
é formado de uma lente e um rabdoma.(Halder et al. 1995).
A estrutura ancestral que poderia ser chamada de precursora do olho – “foto-olho” –
não tem bem esclarecido o seu surgimento na árvore evolutiva, mas pesquisadores
sugerem que poderiam ter surgido como duas células foto-olho, compostas por células
fotorreceptoras e um pigmento celular, como observado em pequenas larvas ciliadas de
poliqueta trocóforo (Figura 1) (Pichaud and Desplan 2002, Gehring and Ikeo 1999)
Em sua origem o olho simples (ex. protozoário Euglena possui pequenas vesículas
sensíveis a luz “eyes spot”) poderia ter realizado alguma forma primitiva de visão a qual teria
a função de detectar a direção da luz para fototaxia e além disso, poderia ter uma forma
primitiva de relógio circadiano, que permitisse a oscilação do animal entre ciclos de claro e
escuro. (Gehring e Rosbash 2003).
Especializado, este o órgão fotorreceptor primitivo providencia uma discreta
informação à célula dermal sensível a luz. A localização de fotorreceptores em pequenas
vesículas ou bolsas com pigmentos sensíveis a luz, proporciona informação adicional como
observado em Euglena, existem células sensíveis a luz no citoplasma que contém um
pigmento vermelho-alaranjado responsável por essa percepção da luz.
Figura 1 - Foto ilustrativa (D. Arendt), Duas células olho larval e protótipo pigmento-taça com olho
fotoreceptores rabdomerico em Platynereis dumerilii (Polychaeta, Annelida, Lophotrochozoa). Ultraestrutura
larval 24 h (canto superior esquerdo), (canto superior direito) adulto (72 h) e (estrutura maior
abaixo) olhos totalmente crescidos. Amarelo, células fotoreceptoras rabdomerico; verde, células de
pigmento.
Alguns estudos sugerem que o olho do tipo ciliar é comum a deuterostômios e o do
tipo rabdomerico de protostômios (Land 1992). Entretanto novas descobertas relacionando o
362

Evolução de Sistemas Fisiológicos
gene “controlador principal” - homeobox, genes estruturais responsáveis por determinar qual
a posição de determinadas estruturas dentro do organismo - têm revelado um terreno
comum aos olhos de praticamente todos os animais multicelulares (Arendt 2003).
Durante a evolução do olho, tipos adicionais de células foram surgindo entre elas
células dermais foto-sensível. Os tipos de células que compõem as estruturas sensíveis a
luz atingiram a sua diversidade máxima na estrutura “olho câmara” de vertebrados e
cefalópodes, assim como nos olhos compostos de artrópodes (Arendt e Wittbrodt 2001).
Todos os fotorreceptores sensíveis à luz utilizam um pigmento derivado da vitamina A, e
este pigmento está vinculado a uma proteína chamada opsina. A informação luminosa ativa
a opsina e causa uma mudança na conformação do pigmento fotossensível, o qual permite
que a opsina se ligue a uma proteína G, - uma molécula comum e versátil usado em muitos
sinais de transdução em cascata. Estas semelhanças sugerem que todos os olhos têm um
antepassado evolutivo comum (Arendt 2001).
Nos vertebrados, a pax6 é exigida para a formação de praticamente todos os tipos
de células da retina (Marquardt et al. 2001) e em Drosophila, o pax6 é necessária para a
formação de todo o disco dos olhos (Jang et al. 2003).
Fotorreceptores rabdomericos são encontrados nos olhos compostos de artrópodes.
Eles aumentam as suas superfícies apicais em numerosas dobras, nas quais a célula
parece ter um achatamento, com a coroação de cerdas finas e cerdas membranosas,
apesar de a própria célula poder assumir muitas formas em espécies diferentes. A
Transdução do sinal em fotorreceptores rabdomericos envolve ativação de fosfolipase C
(PLC) e do inositol tri-fosfato (IP3), um exemplo de como se dá a formação de imagem
podem ser observado na Fig.2 (Arendt, 2001, 2003).
O tipo de fotorreceptores ciliar, é comum em vertebrados, sua característica é um
aumento da área superficial na membrana celular externa, que é uma modificação do cílio.
A membrana ciliar é expandida e empacotada em dobras profundas de modo que a região
de receptores da célula se parece com uma pilha de discos. Os fotorreceptores ciliares
usam uma via diferente de sinalização, ativam uma fosfodiesterase (PDE) que muda a
concentração de GMP cíclico na célula. Tanto o IP3 e ao PDE existem em todos os animais,
a diferença está que a via é utilizada em diferentes fotorreceptores (Arendt 2001).
As diferenças fundamentais de morfologia, desenvolvimento e estrutura dos
fotorreceptores de diversos tipos de olhos encontrados no reino animal sugerem que os
olhos surgiram independentemente pelo menos 40 vezes. Ao analisarmos as estruturas que
compõem o olho em câmara em especial as camadas da célula da retina (ganglionar,
plexiforme interna, nuclear interna, plexiforme externa, nuclear externa, externa, epitélio
pigmentar). Observamos que os sistemas de transdução são muito parecidos
desempenhando operações de detecção, amplificação, e transmissão (Randall. et al.1997).
As evidências aqui levantadas nos mostram que existem relações importantes entre
as estruturas básicas dos fotorreceptores, e nos levam a refletir no processo de evolução,
363

V Curso de Inverno
onde cada grupo animal enfrentando pressões seletivas nos mais variados ambientes
desenvolveram uma grande diversidade de tipos de olhos, cada um com sua peculiaridade,
atendendo a condições necessárias a sobrevivência do indivíduo e conseqüentemente da
espécie.
olho composto
olho de vertebrados
vertebrado.
Figura 2 - (esquema ilustrativo). Formação de imagem: A) olho composto; B) Olho de
Referências Bibliográficas
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Arendt, D (2003). Evolution of eyes and photoreceptor cell types Int. J. Dev. Biol. 47: 563-571
Halder, G, SP Callaert and WJ Gehring (1995). New perspectives on eye evolution. Current Opinion in
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Gehring, WJ and K, Ikeo (1999). Pax 6: mastering eye morphogenesis and eye evolution. Trends
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364

Evolução de Sistemas Fisiológicos
Jang, CC, JL Chao, N Jones, LC Yao, DA Bessarab, YM Kuo, S Jun, C Desplan, SK Beckendorf and
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430-4.
Randall, D, W Burggren and K Fench (1997). In: Eckert, Animal Physiology Mechanisms and
adaptations, 4ª ed. Editora WH FREEMAN and Company..
Revisado por José Eduardo Pereira Wilken Bicudo
365

V Curso de Inverno
Evolução do Comportamento Eusocial:
o Eterno Paradigma
Pedro Leite Ribeiro
Laboratório de Ecofisiologia Evolutiva
pedrolribeiro@gmai.com
Nos arredores de um depósito de lixo, uma mosca varejeira macho encontra uma
fêmea, uma breve corte acontece. Ele exibe um repertório comportamental de danças
estereotipadas que impressionam a fêmea, esta aceita a cópula que dura alguns poucos
minutos.
Perto dali, apoiado numa trama de galhinhos de uma trepadeira, a uns 15 cm do
solo, um ninho de tico-tico abriga um só filhote, na primeira semana de vida. Está
sossegado, talvez dormindo, protegido do sol de verão pela folhagem acima. De repente,
bem rápida, chega a fêmea de tico-tico e habilmente pousa na beirada do ninho. Ato
contínuo, o filhote se ergue, pescoço esticado para cima, o bico escancarado. A fêmea,
agitada ou apressada, mete o bico goela adentro do pidão, retira-o, e girando o corpo, voa
para trás, na direção de onde chegou. Não ficou nem um instante para descansar do sol
dardejante de verão. Alguns minutos depois, ela chega de novo, mais uma refeição. Mais
alguns minutos e a cena se repete. No entanto, ela não vai à exaustão total, e acaba
descansando um pouco. (Robert et al. 1961)
Bem mais longe, uma outra fêmea, uma mulher, engata a primeira marcha em seu
carro e parte para o shopping center. Na lista que leva na bolsa estão anotados vários itens,
incluindo fraldas, mamadeira, chupetas, leite em pó e um carrinho de bebê. Enquanto dirige,
ela pensa na lista, e faz cálculos de dinheiro. Fica preocupada e percebe que vai ter de
pagar com o cartão de crédito. Ao pensar em cada item, aparece em sua mente a imagem
de um bebê, o filho de uma amiga, e ela sorri.
No jardim da casa desta mulher há uma colméia de abelhas. Lá, milhares de
operárias trabalham freneticamente em diferentes tarefas de forma a suprir todas as
necessidades do grupo. Um olhar atento revela que há uma divisão de tarefas, grupos de
abelhas fazem coisas distintas, cada indivíduo parece ser responsável por uma tarefa
diferente, e de forma harmônica e um pouco misteriosa, tudo que precisa ser feito para que
a colônia sobreviva é feito. Numa outra câmara desta mesma colônia há uma abelha
diferente, um pouco maior e não parece estar engajada em nenhuma tarefa de mesma
classe que todas as outras. A abelha rainha. Ela põe ovos, que são cuidados pelas
operárias, quando se transformam em larvas estas são alimentadas pelas suas irmãs mais
velhas até que se transformem em adultos e comecem colaborar com necessidades da
colônia. A rainha desta espécie de abelhas, além de pôr ovos, tem uma outra silenciosa e
importante tarefa. Ela usa substâncias químicas, feromônios, que inibem as suas filhas, as
operárias, de se tornarem fêmeas férteis (Wenseleers e Ratnieks 2006).
366

Evolução de Sistemas Fisiológicos
A um metro dali, uns 2m abaixo da superfície do solo, enclausurada numa câmara,
uma saúva fêmea, conhecida popularmente pelos nomes de içá e tanajura, põe mais um
ovo. Este ovo, que se transformará numa larva, numa pupa e finalmente no adulto terá
cuidados providos pelas operárias inférteis da colônia. Nenhuma dos poucos milhões de
operárias jamais terá a chance de reproduzir. A colônia sobrevive harmonicamente, sem
conflitos pelo direito de reproduzir, por aproximadamente 15 anos, que é quando a Içá
morre. Esta não é substituída e toda colônia morre poucos messes depois de sua morte
(Autuori 1942, 1941).
Assim, nos exemplos acima, temos animas que exibem diferentes graus de
socialidade, desde aqueles praticamente solitários onde apenas na cópula há algum tipo de
interação até os verdadeiramente sociais ou eusociais como as abelhas e as formigas além
de vários outros não citados aqui. Wilson em 1971 estipula três critérios que têm a
pretensão de classificar todas as espécies animais com relação aos níveis de socialidade, a
saber: 1) indivíduos da mesma espécie que ajudam de forma cooperativa na criação dos
jovens 2) uma divisão de tarefas reprodutiva, uma sociedade na qual um grupo de
indivíduos é infértil e colabora com a criação dos filhos dos indivíduos férteis da colônia 3)
quando existe uma sobreposição de pelo menos duas gerações, de forma que os filhos
possam ajudar seus pais. Wilson define como eusociais apenas aqueles animais que
exibem os três critérios estipulados por ele (Wilson 1971). Importante notar, portanto, que
existem também vários estágios considerados intermediários, como nós humanos que
somos capazes de comportamentos solidários com a prole alheia, sem, no entanto,
abdicarmos de nossa própria capacidade reprodutiva.
É, no entanto, a existência de um grupo de indivíduos inférteis dentro uma sociedade
que mais chama atenção de teóricos a respeito da evolução biológica. Afinal, a infertilidade
parece ir à contramão de tudo que entendemos a respeito de seleção natural. Como um
indivíduo com zero de “fitness” (“fitness” sendo definido como a capacidade de deixar
descendentes) pode ter sido selecionado? Darwin ao propor a teoria da Seleção Natural em
seu livro “Origem das Espécies” questiona a abrangência de sua teoria quando, por
exemplo, fala dos insetos sociais: “ Há que se admitir a existência de casos que apresentam
especial dificuldade com relação à teoria da seleção natural. Um dos mais curiosos é o da
existência de duas ou três castas definidas de formigas-operárias ou fêmeas estéreis na
mesma comunidade de insetos”.
Hamilton em 1964 publicou dois trabalhos que pretendem explicar, sob a luz da
seleção natural, o comportamento eusocial nas diferentes espécies animais. Estes
trabalhos, que são considerados por muitos os mais importantes trabalhos sobre evolução
depois de Darwin, introduzem uma importante idéia nova no contexto da evolução. A idéia
da seleção de parentesco. No entanto, para entendermos a idéia de seleção de parentesco
temos primeiro que entender o conceito de fitness inclusivo, ou fitness total, que é a base da
teoria de Hamilton.
367

V Curso de Inverno
Fitness total é o resultado da soma do Fitness direto com o Fitness indireto. Sendo
que o fitness direto é dado pela capacidade reprodutiva do animal em questão, enquanto
que fitness indireto é dado pela capacidade reprodutiva dos outros membros da comunidade
na qual o animal vive. Para se calcular o fitness indireto é necessário levar em consideração
o grau de parentesco dos outros membros da comunidade com o indivíduo em questão.
Assim, a capacidade reprodutiva de membros geneticamente relacionados (parentes) de um
determinado indivíduo tem uma importante participação no fitness total do indivíduo. Desta
forma, temos o cálculo do ftiness de um individuo parcialmente desvinculado da capacidade
do indivíduo de gerar filhos. Pois seus genes podem ser transmitidos para as gerações
futuras, por exemplo, pelos seus irmãos, através dos sobrinhos. É esse o principal
argumento sobre o qual Hamilton tece sua teoria (Hamilton 1964b; 1964a).
Afinal, comportamentos altruísticos poderiam ser justificados pelo aumento do fitness
indireto sempre que este aumento fosse maior que o prejuízo no fitness direto que o
comportamento altruístico possa provocar no individuo que faz a generosidade. Ou seja, um
aumento no ftiness total. Assim, em situações particulares nas quais exista um alto grau de
parentesco entre os membros de uma comunidade, pode ser mais vantajoso, do ponto de
vista de transmissão de genes para gerações futuras, abdicar do fitness direto em prol do
fitness indireto.
É em sociedades partenogênicas que este raciocínio ganha força, afinal, as irmãs
compartilham 75% dos genes umas com as outras em média, enquanto que mães e filhas
compartilham apenas 50% dos genes. Assim, o fitness indireto fica potencializado. È
possível com isso ser mais interessante, do ponto de vista da transmissão gênica, cuidar
das irmãs do que dos próprios filhos.
Estas idéias parecem, portanto, acalmar as críticas com relação a espetacular
contradição que os insetos sociais e alguns outros poucos animais escancaravam com
relação a principal teoria da biologia, a seleção natural. Então, uma vez que temos uma
explicação lógica e coerente com relação ao status quo dos sistemas biológicos que nos
propusemos a estudar, por que não tentarmos explicar o surgimento dos sistemas biológicos
eusocias? Quais eram, ou deveriam ser, as condições ecológicas dos ancestrais dos
animais eusociais que conhecemos hoje? Sabemos que o comportamento eusocial em
insetos surgiu pelo menos cinco vezes distintas. Afinal, este comportamento pode ser
observado em isoptera, thysanoptera, hemíptera, coleóptera e hymenoptera que são grupos
de insetos filogeneticamente distantes.
Desta forma, a descoberta de características comuns aos ancestrais destes cinco
grupos pode ser de grande valor para o entendimento de quais são as condições
necessárias ou pelo menos favoráveis ao surgimento de animais eusociais. Infelizmente, o
estudo de fósseis é pouco revelador com relação ao comportamento. Apenas algumas
informações podem ser tiradas através de estruturas morfológicas que evidenciem algum
tipo de comportamento, ou a fossilização de grupos de insetos num único evento pode
368

Evolução de Sistemas Fisiológicos
eternizar um momento da vida social de uma determinada espécie. A fossilização de
formigas aladas e outras ápteras pode revelar a existências de indivíduos férteis e outros
estéreis, um indicativo de eusocialidade. No entanto, as condições ecológicas nas quais
estes animais viviam são de difícil ou praticamente impossível fossilização.
Resta aos estudiosos destes assuntos, então, fazer inferências teóricas de como
deveriam ser as condições ecológicas dos ancestrais dos animais eusociais que
conhecemos hoje. Estas inferências podem usar de apoio as poucas evidências fósseis, as
características comportamentais e ecológicas dos animais em estágios intermediários de
socialidade que conhecemos hoje e o próprio estudo dos animais eusocias atuais.
De maneira geral acredita-se que algumas condições devam ser satisfeitas para que
exista a possibilidade do surgimento da eusocialidade. 1) Deve existir uma situação
ecológica tal que grupo de indivíduos da mesma espécie sejam obrigados a viver juntos.
Seja porque eles vivem em ninhos ou exista a necessidade de manutenção de um território
que dificilmente possa ser mantido por um único indivíduo. 2) Necessidades alimentares
restritas de forma que a tarefa de procura por alimento tenha tal intensidade que inviabilize o
cumprimento das outras tarefas que este indivíduo precisa fazer, como, por exemplo, o
cuidado com prole (Wilson 2008). Portanto, parece existir uma situação na qual as
condições ecológicas adversas obriguem o trabalho coletivo através da imposição de
dificuldades à vida solitária.
Então a teoria que tiver a pretensão de explicar a eusocialidade deve também ser
capaz de explicar as suas origens. A idéia de seleção de parentesco, as vezes, pode
parecer insuficiente quando consideremos as condições pré-eusociais. Principalmente
quando consideramos o surgimento da eusocialidade em cupins (diplobiontes) e em
formigas cujas fêmeas foram fecundadas por vários machos. Afinal, nestes casos a relação
de parentesco entre os irmãos deixa de ser de 75% e pode passar para menos de 30%.
Neste contexto o fitness indireto nunca será maior que o fitness direto – cuidar da própria
prole sempre será mais vantajoso do que abdicar dos próprios filhos em favor dos filhos de
seus pais-.
Neste contexto surge uma idéia alternativa ou pelo menos complementar as idéias
de Hamilton (seleção de parentesco). Esta idéia inicialmente apresentada por Richard
Alexander em 1974 e que ganha apoio em publicações recentes de Francis (Wenseleers
Ratnieks et al. 2003; Ratnieks e Wenseleers 2008) introduz um novo conceito dentro do
contexto da evolução da eusocialidade, o altruísmo forçado.
Estas idéias ganham suporte em recentes estudos com diferentes espécies de
insetos sociais (Ratnieks 1988; Ferracane e Ratnieks 1989; Ratnieks e Visscher 1989;
Ratnieks e Reeve 1991; Anderson, Franks et al. 2001; Oldroyd, Wossler et al. 2001;
Wenseleers, Badcock et al. 2005; Camargo, Lopes et al. 2006; Foster, Wenseleers et al.
2006; Ratnieks e Wenseleers 2008). Estes estudos descrevem uma série de
comportamentos agressivos dentro da sociedade de insetos, que podem ser resumidos em
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V Curso de Inverno
três tipos distintos: 1) Coerção, comportamento social agressivo que pune e policia o
comportamento individual egoísta. 2) Manipulação parental, comportamento exibido pelos
pais que visa a persuasão dos filhos para que cuidem dos irmãos. 3) Policiamento,
comportamento de inibição da atividade de reprodução de determina operária, que pode
acontecer pela destruição dos ovos postos ou agressão física a operária. É a descrição
destes comportamentos que levaram os estudiosos destes assuntos a acreditar que o
comportamento altruísta poderia não ser voluntário, como a idéia de Hamilton supunha.
Isso traz uma sutil e importante diferença no entendimento de como se deu o
surgimento do comportamento eusocial. Afinal, não seria apenas as relações genéticas
entre os indivíduos que vivem juntos a questão permissiva e causal do surgimento de castas
inférteis. E sim o comportamento agressivo de membros dominantes dentro do grupo que
levaria a esterilidade de alguns indivíduos do mesmo grupo.
É claro que as idéias de Hamilton não podem ser desconsideradas ou totalmente
substituídas, afinal o entendimento de como se deu a origem do comportamento eusocial
ainda não está totalmente elucidado. Isso sem falar que a manutenção, do ponto de vista
evolutivo, das relações altruísticas pacíficas em animais eusocias pode ter como explicação
parcial ou até mesmo total as idéias de seleção de parentesco.
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