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Caro aluno Ao elaborar o seu material inovador, completo e moderno, o Hexag considerou como principal diferencial sua exclusiva metodologia em período integral, com aulas e Estudo Orientado (E.O.), e seu plantão de dúvidas personalizado. O material didático é composto por 6 cadernos de aula e 107 livros, totalizando uma coleção com 113 exemplares. O conteúdo dos livros é organizado por aulas temáticas. Cada assunto contém uma rica teoria que contempla, de forma objetiva e transversal, as reais necessidades dos alunos, dispensando qualquer tipo de material alternativo complementar. Para melhorar a aprendizagem, as aulas possuem seções específicas com determinadas finalidades. A seguir, apresentamos cada seção: De forma simples, resumida e dinâmica, essa seção foi desen- volvida para sinalizar os assuntos mais abordados no Enem e nos principais vestibulares voltados para o curso de Medicina em todo o território nacional. INCIDÊNCIA DO TEMA NAS PRINCIPAIS PROVAS Todo o desenvolvimento dos conteúdos teóricos de cada co- leção tem como principal objetivo apoiar o aluno na resolu- ção das questões propostas. Os textos dos livros são de fácil compreensão, completos e organizados. Além disso, contam com imagens ilustrativas que complementam as explicações dadas em sala de aula. Quadros, mapas e organogramas, em cores nítidas, também são usados e compõem um conjunto abrangente de informações para o aluno que vai se dedicar à rotina intensa de estudos. TEORIA No decorrer das teorias apresentadas, oferecemos uma cui- dadosa seleção de conteúdos multimídia para complementar o repertório do aluno, apresentada em boxes para facilitar a compreensão, com indicação de vídeos, sites, filmes, músicas, livros, etc. Tudo isso é encontrado em subcategorias que fa- cilitam o aprofundamento nos temas estudados – há obras de arte, poemas, imagens, artigos e até sugestões de aplicati- vos que facilitam os estudos, com conteúdos essenciais para ampliar as habilidades de análise e reflexão crítica, em uma seleção realizada com finos critérios para apurar ainda mais o conhecimento do nosso aluno. MULTIMÍDIA Atento às constantes mudanças dos grandes vestibulares, é elaborada, a cada aula e sempre que possível, uma seção que trata de interdisciplinaridade. As questões dos vestibulares atuais não exigem mais dos candidatos apenas o puro co- nhecimento dos conteúdos de cada área, de cada disciplina. Atualmente há muitas perguntas interdisciplinares que abran- gem conteúdos de diferentes áreas em uma mesma questão, como Biologia e Química, História e Geografia, Biologia e Ma- temática, entre outras. Nesse espaço, o aluno inicia o contato com essa realidade por meio de explicações que relacionam a aula do dia com aulas de outras disciplinas e conteúdos de outros livros, sempre utilizando temas da atualidade. Assim, o aluno consegue entender que cada disciplina não existe de forma isolada, mas faz parte de uma grande engrenagem no mundo em que ele vive. CONEXÃO ENTRE DISCIPLINAS Um dos grandes problemas do conhecimento acadêmico é o seu distanciamento da realidade cotidiana, o que difi- culta a compreensão de determinados conceitos e impede o aprofundamento nos temas para além da superficial me- morização de fórmulas ou regras. Para evitar bloqueios na aprendizagem dos conteúdos, foi desenvolvida a seção “Vi- venciando“. Como o próprio nome já aponta, há uma preo- cupação em levar aos nossos alunos a clareza das relações entre aquilo que eles aprendem e aquilo com que eles têm contato em seu dia a dia. VIVENVIANDO Essa seção foi desenvolvida com foco nas disciplinas que fa- zem parte das Ciências da Natureza e da Matemática. Nos compilados, deparamos-nos com modelos de exercícios re- solvidos e comentados, fazendo com que aquilo que pareça abstrato e de difícil compreensão torne-se mais acessível e de bom entendimento aos olhos do aluno. Por meio dessas resoluções, é possível rever, a qualquer momento, as explica- ções dadas em sala de aula. APLICAÇÃO DO CONTEÚDO Sabendo que o Enem tem o objetivo de avaliar o desem- penho ao fim da escolaridade básica, organizamos essa seção para que o aluno conheça as diversas habilidades e competências abordadas na prova. Os livros da “Coleção Vestibulares de Medicina” contêm, a cada aula, algumas dessas habilidades. No compilado “Áreas de Conhecimento do Enem” há modelos de exercícios que não são apenas resolvidos, mas também analisados de maneira expositiva e descritos passo a passo à luz das habilidades estudadas no dia. Esse recurso constrói para o estudante um roteiro para ajudá-lo a apurar as questões na prática, a identificá-las na prova e a resolvê-las com tranquilidade. ÁREAS DE CONHECIMENTO DO ENEM Cada pessoa tem sua própria forma de aprendizado. Por isso, criamos para os nossos alunos o máximo de recursos para orientá-los em suas trajetórias. Um deles é o ”Diagrama de Ideias”, para aqueles que aprendem visualmente os conte- údos e processos por meio de esquemas cognitivos, mapas mentais e fluxogramas. Além disso, esse compilado é um resumo de todo o conteúdo da aula. Por meio dele, pode-se fazer uma rápida consulta aos principais conteúdos ensinados no dia, o que facilita a organização dos estudos e até a resolução dos exercícios. DIAGRAMA DE IDEIAS © Hexag SiStema de enSino, 2018 Direitos desta edição: Hexag Sistema de Ensino, São Paulo, 2022 Todos os direitos reservados. Coordenador-geral Raphael de Souza Motta reSponSabilidade editorial, programação viSual, reviSão e peSquiSa iConográfiCa Hexag Sistema de Ensino editoração eletrôniCa Felipe Lopes Santos Letícia de Brito Ferreira Matheus Franco da Silveira projeto gráfiCo e Capa Raphael de Souza Motta imagenS Freepik (https://www.freepik.com) Shutterstock (https://www.shutterstock.com) Pixabay (https://www.pixabay.com) ISBN: 978-85-9542-200-1 Todas as citações de textos contidas neste livro didático estão de acordo com a legislação, ten- do por fim único e exclusivo o ensino. Caso exista algum texto a respeito do qual seja necessária a in- clusão de informação adicional, ficamos à disposição para o contato pertinente. Do mesmo modo, fizemos todos os esforços para identificar e localizar os titulares dos direitos sobre as imagens pub- licadas e estamos à disposição para suprir eventual omissão de crédito em futuras edições. O material de publicidade e propaganda reproduzido nesta obra é usado apenas para fins didáticos, não repre- sentando qualquer tipo de recomendação de produtos ou empresas por parte do(s) autor(es) e da editora. 2022 Todos os direitos reservados para Hexag Sistema de Ensino. Rua Luís Góis, 853 – Mirandópolis – São Paulo – SP CEP: 04043-300 Telefone: (11) 3259-5005 www.hexag.com.br contato@hexag.com.br SUMÁRIO BIOLOGIA ECOLOGIA 5 AULAS 9 E 10: INTRODUÇÃO À ECOLOGIA 7 AULAS 11 E 12: PIRÂMIDES E EFICIÊNCIA ECOLÓGICAS 14 AULAS 13 E 14: RELAÇÕES ECOLÓGICAS 19 AULAS 15 E 16: DINÂMICA POPULACIONAL E SUCESSÃO ECOLÓGICA 27 ZOOLOGIA 33 AULAS 9 E 10: REINO PROTOCTISTA II: ALGAS 35 AULAS 11 E 12: PORÍFEROS E CNIDÁRIOS 43 AULAS 13 E 14: PLATELMINTOS 54 AULAS 15 E 16: NEMATELMINTOS 61 CITOLOGIA 69 AULAS 9 E 10: INTRODUÇÃO À CITOLOGIA 71 AULAS 11 E 12: CITOPLASMA 85 AULAS 13 E 14: NÚCLEO 95 AULAS 15 E 16: DIVISÃO CELULAR: MITOSE 101 Co m pe tê n Ci a 1 Compreender as ciências naturais e as tecnologias a elas associadas como construções humanas, percebendo seus papéis nos processos de produção e no desenvolvimento econômico e social da humanidade. H1 Reconhecer características ou propriedades de fenômenos ondulatórios ou oscilatórios, relacionando-os a seus usos em diferentes contextos. H2 Associar a solução de problemas de comunicação, transporte, saúde ou outro, com o correspondente desenvolvimento científico e tecnológico. H3 Confrontar interpretações científicas com interpretações baseadas no senso comum, ao longo do tempo ou em diferentes culturas. H4 Avaliar propostas de intervenção no ambiente, considerando a qualidadeda vida humana ou medidas de conservação, recuperação ou utilização sustentável da biodiversidade. Co m pe tê n Ci a 2 Identificar a presença e aplicar as tecnologias associadas às ciências naturais em diferentes contextos. H5 Dimensionar circuitos ou dispositivos elétricos de uso cotidiano. H6 Relacionar informações para compreender manuais de instalação ou utilização de aparelhos, ou sistemas tecnológicos de uso comum. H7 Selecionar testes de controle, parâmetros ou critérios para a comparação de materiais e produtos, tendo em vista a defesa do consumidor, a saúde do trabalhador ou a qualidade de vida. Co m pe tê n Ci a 3 Associar intervenções que resultam em degradação ou conservação ambiental a processos produtivos e sociais e a instrumentos ou ações científico-tecnológicos. H8 Identificar etapas em processos de obtenção, transformação, utilização ou reciclagem de recursos naturais, energéticos ou matérias-primas, con- siderando processos biológicos, químicos ou físicos neles envolvidos. H9 Compreender a importância dos ciclos biogeoquímicos ou do fluxo energia para a vida, ou da ação de agentes ou fenômenos que podem causar alterações nesses processos. H10 Analisar perturbações ambientais, identificando fontes, transporte e(ou) destino dos poluentes ou prevendo efeitos em sistemas naturais, produ- tivos ou sociais. H11 Reconhecer benefícios, limitações e aspectos éticos da biotecnologia, considerando estruturas e processos biológicos envolvidos em produtos biotecnológicos. H12 Avaliar impactos em ambientes naturais decorrentes de atividades sociais ou econômicas, considerando interesses contraditórios. Co m pe tê n Ci a 4 Compreender interações entre organismos e ambiente, em particular aquelas relacionadas à saúde humana, relacionando conhecimentos científicos, aspectos culturais e características individuais. H13 Reconhecer mecanismos de transmissão da vida, prevendo ou explicando a manifestação de características dos seres vivos. H14 Identificar padrões em fenômenos e processos vitais dos organismos, como manutenção do equilíbrio interno, defesa, relações com o ambiente, sexualidade, entre outros. H15 Interpretar modelos e experimentos para explicar fenômenos ou processos biológicos em qualquer nível de organização dos sistemas biológicos. H16 Compreender o papel da evolução na produção de padrões, processos biológicos ou na organização taxonômica dos seres vivos Co m pe tê n Ci a 5 Entender métodos e procedimentos próprios das ciências naturais e aplicá-los em diferentes contextos. H17 Relacionar informações apresentadas em diferentes formas de linguagem e representação usadas nas ciências físicas, químicas ou biológicas, como texto discursivo, gráficos, tabelas, relações matemáticas ou linguagem simbólica. H18 Relacionar propriedades físicas, químicas ou biológicas de produtos, sistemas ou procedimentos tecnológicos às finalidades a que se destinam. H19 Avaliar métodos, processos ou procedimentos das ciências naturais que contribuam para diagnosticar ou solucionar problemas de ordem social, econômica ou ambiental. Co m pe tê n Ci a 6 Apropriar-se de conhecimentos da física para, em situações problema, interpretar, avaliar ou planejar intervenções científicotecnológicas. H20 Caracterizar causas ou efeitos dos movimentos de partículas, substâncias, objetos ou corpos celestes. H21 Utilizar leis físicas e (ou) químicas para interpretar processos naturais ou tecnológicos inseridos no contexto da termodinâmica e(ou) do eletromagnetismo. H22 Compreender fenômenos decorrentes da interação entre a radiação e a matéria em suas manifestações em processos naturais ou tecnológicos, ou em suas implicações biológicas, sociais, econômicas ou ambientais. H23 Avaliar possibilidades de geração, uso ou transformação de energia em ambientes específicos, considerando implicações éticas, ambientais, sociais e/ou econômicas. Co m pe tê n Ci a 7 Apropriar-se de conhecimentos da química para, em situações problema, interpretar, avaliar ou planejar intervenções científicotecnológicas. H24 Utilizar códigos e nomenclatura da química para caracterizar materiais, substâncias ou transformações químicas. H25 Caracterizar materiais ou substâncias, identificando etapas, rendimentos ou implicações biológicas, sociais, econômicas ou ambientais de sua obtenção ou produção. H26 Avaliar implicações sociais, ambientais e/ou econômicas na produção ou no consumo de recursos energéticos ou minerais, identificando transfor- mações químicas ou de energia envolvidas nesses processos. H27 Avaliar propostas de intervenção no meio ambiente aplicando conhecimentos químicos, observando riscos ou benefícios. Co m pe tê n Ci a 8 Apropriar-se de conhecimentos da biologia para, em situações problema, interpretar, avaliar ou planejar intervenções científicotecnológicas. H28 Associar características adaptativas dos organismos com seu modo de vida ou com seus limites de distribuição em diferentes ambientes, em especial em ambientes brasileiros. H29 Interpretar experimentos ou técnicas que utilizam seres vivos, analisando implicações para o ambiente, a saúde, a produção de alimentos, matérias primas ou produtos industriais. H30 Avaliar propostas de alcance individual ou coletivo, identificando aquelas que visam à preservação e a implementação da saúde individual, coletiva ou do ambiente. MATRIZ DE REFERÊNCIA DO ENEM BIOLOGIABIOLOGIA CIÊNCIAS DA NATUREZA e suas tecnologias TEORiA DEDE AULAAULA 2 ECOLOGIA BIOLOGIABIOLOGIA CIÊNCIAS DA NATUREZA e suas tecnologias TEORiA DEDE AULAAULA 2 6 VO LU M E 2 C IÊ N CI AS D A N AT UR EZ A e su as te cn ol og ia s INCIDÊNCIA DO TEMA NAS PRINCIPAIS PROVAS UFMG A compreensão de teias e cadeias alimen- tares e da interação entre os seres vivos é fundamental para resolver as questões de ecologia, que são interdisciplinares e pedem temas atuais com relação aos im- pactos ambientais. As perguntas estão relacionadas majori- tariamente à área de ecologia, com foco principal em cadeias e teias alimentares, conceitos presentes nas primeiras aulas dessa frente. Prova interdisciplinar que, em muitos casos, estimula a interpretação de gráficos. Assim como na Fuvest, a ecologia tem posição de destaque, em que interações ecológicas e teias alimentares são comuns. Nessa prova, é comum aparecerem casos atuais de desastres ambientais. Saber relacionar problemas ecológicos com con- teúdos simples, como teias alimentares, é essencial. Prova interdisciplinar que mobiliza conheci- mentos básicos e estruturantes da ecologia nas questões de cadeia e teia alimentar. Em geral, o assunto é trabalhado em questões de nível intermediário, mas, em perguntas que relacionam diferentes áreas da Biolo- gia, o nível de dificuldade pode ser maior. Prova com poucas questões de ecologia, sendo que o tema que mais aparece é a interação entre os seres vivos (teias alimen- tares e relações ecológicas). Prova com questões que misturam diferen- tes áreas da Biologia. Aparecem assuntos como sucessão ecológica, problemas am- bientais e relações ecológicas. Problemas ambientais, relações ecológicas e conceitos básicos relacionados à ecologia (população, comunidade, ecossistema) são muito presentes. Prova com forte presença de ecologia: cadeias alimentares, relações ecológicas e problemas ambientais são os principais assuntos. É uma prova com questões interdiscipli- nares que cobram conteúdos altamente específicos. Conceitos gerais de ecologia, assim como pirâmides e relações ecológi- cas, costumam aparecer. Questões com alto nível de especificidade, com conceitos como cadeias alimentares, pirâmides e relações ecológicas. Prova com temas como dinâmica popula- cional, relações ecológicas e teias alimen- tares. Na ecologia, a prova é similar à do Enem, com ênfase em problemas ambientais e relações ecológicas. Com perfil similar à prova da Fuvest e questões bem específicas, ostemas mais frequentes são problemas ambientais e relações ecológicas. É uma prova que privilegia citologia e ge- nética, de forma que não há muitas ques- tões sobre ecologia; nessa área, os temas mais abordados são relações ecológicas e problemas ambientais 7 VO LU M E 2 C IÊ N CI AS D A N AT UR EZ A e su as te cn ol og ia s 1. Introdução O termo ecologia deriva do grego oikos, que significa “casa” ou “lar”, e logos, que significa “estudo”. Assim, a ecologia estuda as relações dos seres vivos entre si (bióti- co) e com o meio em que vivem (abiótico). Os ecólogos analisam a dinâmica de populações, a intera- ção entre as espécies, o meio ambiente, o fluxo de energia, os padrões de distribuição e de sucessão ecológica, etc. A ecologia também estuda os efeitos das atividades hu- manas sobre o meio natural e os desequilíbrios (ou novos equilíbrios) ecológicos que elas provocam. De um ponto de vista mais crítico e ideológico, os ecólogos e outros adep- tos de ações em defesa da preservação do equilíbrio do planeta se opõem ao uso irresponsável e desmedido dos recursos naturais para sustento de processos industriais. A industrialização pouco criteriosa, fundamentada no consu- mo desenfreado, no lucro e na visão largamente difundida de que os recursos do ambiente podem ser livremente ex- plorados até a exaustão, mostrou ter consequências desas- trosas para o ecossistema planetário. A intensificação do efeito estufa e do aquecimento global, o desflorestamento, a chuva ácida, a desertificação, a ex- tinção de espécies, a poluição e a destruição da camada de ozônio são alguns aspectos desse impacto negativo da ação humana sobre a natureza. Já medidas a favor da preservação ambiental – como mudanças no sistema de produção, no emprego de energia e no uso de recursos – fazem parte do esforço positivo necessário para evitar a degradação do meio ambiente. Dessa maneira, a ecologia possibilita a compreensão do funcionamento dos sistemas naturais e incentiva a prática da conservação da natureza. 2. Níveis de organização ecológica Os níveis de organização biológica são estudados na eco- logia por meio de uma amplitude de escalas, passando desde o organismo até a biosfera. RepResentação dos níveis de oRganização biológica. a ecologia estuda as inteRações dos oRganismos em níveis de população, comunidade, ecossistema e biosfeRa O organismo representa o indivíduo da espécie e, por meio de sua análise, é possível pesquisar os efeitos da sele- ção natural e de outros fenômenos evolutivos, identifican- do as adaptações e as interações com o meio. organismo > população > comunidade > ecossistema > bioma > biocora > biociclo > biosfera Um conjunto de organismos da mesma espécie que intera- gem e habitam uma determinada região durante um certo período de tempo constitui uma população. Sua pesquisa permite analisar, por exemplo, a quantidade de indivíduos, a distribuição populacional no espaço e as mudanças ocor- ridas ao longo do tempo: exemplo de uma população de elefantes maRinhos (miRounga leonina) INTRODUÇÃO À ECOLOGIA COMPETÊNCIA(s) 3 HABILIDADE(s) 8 e 9 CN AULAS 9 E 10 8 VO LU M E 2 C IÊ N CI AS D A N AT UR EZ A e su as te cn ol og ia s Já a reunião de várias populações de diferentes espécies que interagem e habitam determinado espaço e tempo forma uma comunidade biológica, biota ou biocenose. Seu estudo possibilita investigar as variações numéricas dos indivíduos e das espécies, as características estruturais das populações e as interações entre os organismos: arborícola Rã Jiboia Preguiça Tucano Papagaio Gavião-real Borboleta Morpho Macaco- Beija-flor -aranha Sagui Cobra arborícola Ocelote Tatu gigante Anta Tarântula exemplo de comunidade biológica em um tRecho de mata tRopical. O ecossistema, por sua vez, compreende a interação da biota com o seu meio ambiente, formando uma rede complexa de relações de mútua influência entre os seres vivos de uma determinada área e todos os seus elementos físicos naturais (geológicos, climáticos, etc.). Dessa forma, pode apresentar distintos tamanhos e escalas. as comunidades biológicas de um ecossistema aquático. O conjunto de vários ecossistemas que interagem é deno- minado bioma. A mata Atlântica, a Amazônia, o cerrado, a caatinga e o Pantanal são exemplos de biomas, uma vez que são formados por diversos tipos de ecossistemas interligados. Observe na figura a seguir o caso do cerrado: o bioma ceRRado e seus ecossistemas associados. A biocora é a reunião de vários biomas com caracterís- ticas próprias e pode ser classificada em floresta, campo, savana e deserto. Por exemplo, embora sejam diferentes ecologicamente, a mata Atlântica, a Amazônia e a taiga são formações “basicamente” florestais, o que permite co- locá-las na biocora das florestas. O agrupamento de biocoras com características particulares de um dado compartimento da Terra é denominado bioci- clo. Os biocoros marinhos constituem o biociclo marinho ou talassociclo, os biocoros terrestres constituem o bioci- clo terrestre ou epinociclo e os biocoros de água doce constituem o biociclo dulcícola ou limnociclo. A biosfera, por fim, é o conjunto de todos os biociclos e forma a camada ou superfície do planeta, que contém, sustenta e mantém a vida. 9 VO LU M E 2 C IÊ N CI AS D A N AT UR EZ A e su as te cn ol og ia s VIVENCIANDO a biosfeRa e sua posição em Relação a outRas camadas componentes do planeta teRRa. 2.1. Habitat e nicho ecológico Em uma comunidade biológica, diversos seres vivos intera- gem entre si e com o meio e formam relações complexas, assumindo lugares e funções específicas. Para posicionar uma espécie nessa rede de interações, a ecologia utiliza dois conceitos fundamentais. O habitat descreve o local mais provável de se encontrar a espécie, isto é, onde ela vive e realiza suas atividades. Já o nicho ecológico é o papel que a espécie desempenha no ambiente (o seu modo de vida) e se caracteriza pelo total de informações biológicas que se pode obter acerca de uma espécie: § Quanto à biologia alimentar: o que, quando, quanto e onde come; como obtém o alimento e com que fre- quência se alimenta. § Quanto à biologia comportamental: se vive isolada ou em grupo; que tipo de relação existe entre os indivídu- os da população (machos, fêmeas, jovens, adultos e ve- lhos); como é a sua distribuição espacial; se é séssil, de- fende o seu território ou movimenta-se continuamente. § Quanto a sua reprodução: se é sexuada ou assexuada; se existe cuidado com a prole ou não; se existe pares, casais fixos ou haréns; se há ninhos e postura de ovos; se a fecundação é interna ou externa; se o desenvolvimento é direto ou com formação de larvas; se há dependência em relação à água para a fecundação, etc. aspectos Relacionados a nicho ecológico Assim, por ser um conceito mais abrangente, o nicho de uma espécie envolve o seu habitat (caso 2), visto que a cada papel que desenvolve associa-se uma porção ou fra- ção do seu habitat. Entretanto, se uma lagoa (ambiente) for considerada um habitat, é certo que nesse habitat haverá inúmeras espécies e, portanto, inúmeros nichos (caso 1). Habitat RepResentação de habitat e nichos ecológicos. Através da elucidação dos habitats e dos nichos ecológicos dos seres vivos, pode-se estabelecer a região que estes per- manecem e suas possíveis relações ecológicas, permitindo desenvolver programas de proteção de espécies ameaçadas de extinção. Estudos ecológicos em que os habitats e os nichos ecológicos ocupados são bem estabelecidos servem de subsídios para argumentos contrários à construção de estradas, hidrelétricas, rodovias que prejudicam as relações intra e interespecíficas, entre outros. Além disso, é de grande importância conhecer esses níveis ecológicos de maneira cada vez mais detalhada para aumentar a compreensão sobre as relações ecológicas e a preservação ambiental. 10 VOLU M E 2 C IÊ N CI AS D A N AT UR EZ A e su as te cn ol og ia s 2.2. Composição e estrutura dos ecossistemas Os ecossistemas apresentam um componente biótico, re- presentado pelas comunidades biológicas, e um abiótico, caracterizado pelos elementos físicos e químicos do meio. Logo, a parte biótica é constituída por tudo o que é consi- derado vivo, como plantas, animais e microrganismos, en- quanto a abiótica é o conjunto de tudo o que não é vivo, como nutrientes, água, ar, gases, energia e substâncias or- gânicas e inorgânicas do meio ambiente. Além disso, um ecossistema é caracterizado pela presença de dois processos: o ciclo da matéria, em que observa-se a reciclagem dos elementos entre os seres vivos e o ambiente, e o fluxo de energia – o qual tem início com a energia solar e demonstra a conversão, uso e transporte da energia entre os seres vivos. Uma vez que cada ecossistema é relativamente autônomo e apresenta equilíbrio dinâmico, as espécies biológicas e as condições de vida tendem a não se alterar drasticamente e a se preservar ao longo do tempo – embora a curto prazo apresentem modificações constantes e em pequena escala. os ecossistema envolvem um sistema (s) delimitado mas abeRto que peRmite um ambiente de entRada (ae) e um ambiente de saída (as) de eneRgia, mateRiais, oRganismos e outRos. O ecótono é a zona de transição entre ecossistemas di- ferentes e, por isso, possui características de cada uma das comunidades fronteiriças nela existentes. Assim, em um ecótono encontra-se maior biodiversidade do quem cada um dos ecossistemas adjacentes. esquema da zona de tRansição (ecótono) entRe ecossistemas. Assim, em um ecótono encontra-se maior biodiversidade do que em cada um dos ecossistemas adjacentes. 2.3. Cadeias alimentares A cadeia alimentar é a sequência de transferências de ma- téria e energia, sob a forma de alimento, de um organismo para outro. Esse ciclo vital garante o equilíbrio e a manu- tenção dos ecossistemas. Os diferentes seres vivos de um ecossistema cumprem papéis específicos dentro da cadeia alimentar e, dessa maneira, podem ser classificados em três níveis distintos: produtores, consumidores e decompositores. Os produ- tores são os organismos capazes de converter matéria inorgânica em orgânica e, consequentemente, produzir seu próprio alimento (autótrofos). Enquanto os quimiossinteti- zantes oxidam substâncias minerais para produzir energia, os organismos clorofilados, como as plantas e as algas, uti- lizam a fotossíntese para sintetizar compostos orgânicos a partir da luz solar. Vale ressaltar que os produtores fotos- sintetizantes sintetizam quase toda a totalidade da matéria orgânica que servirá de alimento para a biota. Essa energia produzida sustenta, direta ou indiretamente, os organismos consumidores que não conseguem pro- duzir seu próprio alimento e, portanto, precisam ingerir do meio externo (seres heterótrofos). Eles são classificados como consumidores primários, quando se alimentam dire- tamente do produtor (herbívoros), ou como secundários, terciários, etc., ao se alimentarem de outros animais (carní- voros). Animais onívoros podem ocupar diferentes posições dependendo da alimentação analisada. Quando os dejetos desses animais são lançados no solo e se juntam ao material morto ali presente, entram em ação os de- nominados organismos decompositores, fungos e bacté- rias. Eles completam o ciclo vital, pois decompõem a matéria orgânica presente nos organismos mortos e a transformam novamente em compostos inorgânicos. Graças a eles, o solo é remineralizado e os produtores podem realizar seus metabo- lismos de construção, produzindo novamente a matéria que vai fluir ao longo das teias alimentares e do meio físico. Produtor Consumidor primário Consumidor secundário Consumidor terciário exemplo de cadeia alimentaR Entre outros fatores, o equilíbrio do ecossistema depende da realização de cada uma dessas etapas da cadeia ali- mentar. A drástica redução dos animais carnívoros, por exemplo, pode resultar na proliferação desenfreada dos animais herbívoros e, com isso, na escassez ou extinção de algumas espécies vegetais. 11 VO LU M E 2 C IÊ N CI AS D A N AT UR EZ A e su as te cn ol og ia s fonte: Youtube Cadeia Alimentar multimídia: vídeo A teia alimentar é uma das principais interações entre os organismos em ecossistemas reais. Ela é caracterizada por diversas cadeias alimentares interligadas. Em uma cadeia alimentar, tem-se uma sequência de seres vivos que apre- sentam relações tróficas entre si, isto é, cada ser vivo se alimenta do organismo que o antecede e serve de alimento para o que o sucede, ocorrendo, assim, transferências de matéria e energia ao longo das cadeias. Lobo Puma Gato Lebre MartenBassarisco Largato Águia Borboleta Esquilo Cervo Rato Sapo Marta Sitta esquema de teia alimentaR As setas utilizadas nos diagramas e esquemas de teias e cadeias indicam o sentido da matéria e energia. Dessa forma, são uni- direcionais e sempre têm a sua origem no organismo que serve de alimento e apontam para o organismo que se alimenta. www.infoescola.com/biologia/nicho-ecologico/ brasilescola.uol.com.br/biologia/habitat-nicho-ecologico.htm www.infoescola.com/biologia/niveis-troficos multimídia: site 2.4. Nível trófico O nível trófico é a posição que o organismo ocupa na cadeia e, portanto, representa também a distância entre o indivíduo e o início da teia. Os organismos em uma cadeia têm a sua disposição quantidades diferentes de energia no alimento que ingerem, uma vez que as perdas energéticas de um nível para outro são muito grandes – ao longo da cadeia a energia é utilizada pelos seres vivos e dispersada para o ambiente. Logo, quanto mais afastado o organismo está do início da cadeia, maiores foram as perdas energéticas até ele. Da mesma maneira, quanto mais próximo do início, maior é a energia disponível. Isso significa que a posição que o orga- nismo ocupa na cadeia é fundamental e que o número de níveis tróficos é limitado pela disponibilidade de energia. RepResentação do uso e peRda de eneRgia ao longo dos níveis tRóficos. Dependendo de quem ocupa o primeiro nível trófico, é pos- sível classificar a cadeia ou teia em dois tipos básicos: a de pastejo, na qual a energia que sustenta a cadeia são as plantas (autótrofos) e o segundo nível trófico é ocupado por herbívoros; e a de detritos, na qual a base é a matéria orgânica não viva, que será processada por seres detritívo- ros e decompositores (segundo nível trófico). Detritívoros Decompositores Buracos feitos por besouros Marcas deixadas por besouros Galerias de formigas Formigas e Cupins agindo na madeira Madeira reduzida a pedaços menores Cogumelo Progressão do tempo Decomposição por fungos . Decompositores reduzem a matéria orgânica (restos de madeir V figuRa com a ação dos seRes detRitívoRos e decompositoRes em um tRonco de madeiRa, ao longo do tempo. 12 VO LU M E 2 C IÊ N CI AS D A N AT UR EZ A e su as te cn ol og ia s ÁREAS DE CONHECIMENTO DO ENEM HABILIDADE 8 Identificar etapas em processos de obtenção, transformação, utilização ou reciclagem de recursos naturais, energéticos ou matérias-primas, considerando processos biológicos, químicos ou físicos neles envolvidos. Nessa questão sobre teias alimentares é preciso identificar corretamente a forma com que os seres vivos obtêm energia e matéria orgânica e a partir disso saber colocá-los nos níveis tróficos correspondentes. MODELO 1 a) Consumidor primário, pois ataca diretamente uma espécie herbívora. b) Consumidor secundário, pois se alimenta diretamente dos tecidos da lagarta. c) Organismo heterótrofo de primeira ordem, pois se alimenta de pólen na fase adulta. d) Organismo heterótrofo de segunda ordem, pois apresenta o maior nível energético na cadeia. e) Decompositor, pois se alimenta de tecidos do interior do corpo da lagartae a leva à morte. ANÁLISE EXPOSITIVA Deve-se entender a forma de obtenção de alimento pelos parasitas e, consequentemente, saber associar corretamente a qual nível trófico da cadeia alimentar esse ser vivo é inserido. O parasita em questão obtém seu alimento quando consome tecidos no interior da lagarta. Como a lagarta é consumidora primária, pois se alimenta de produtores, logo, o parasita é um consumidor secundário. RESPOSTA Alternativa B (Enem) Os parasitoides (misto de parasitas e preda- dores) são insetos diminutos que têm hábitos muito peculiares: suas larvas podem se desenvolver dentro do corpo de outros organismos, como mostra a figura. A forma adulta se alimenta de pólen e açúcares. Em geral, cada parasitoide ataca hospedeiros de determi- nada espécie e, por isso, esses organismos vêm sen- do amplamente usados para o controle biológico de pragas agrícolas. A forma larval do parasitoide assume qual papel nessa cadeia alimentar? 13 VO LU M E 2 C IÊ N CI AS D A N AT UR EZ A e su as te cn ol og ia s HABILIDADE 9 Compreender a importância dos ciclos biogeoquímicos ou do fluxo energia para a vida, ou da ação de agentes ou fenômenos que podem causar alterações nesses processos. Nesse exercício é necessário conhecer como ocorre o fluxo energético nas cadeias alimentares. Qual nível trófico possui a maior quantidade de energia disponível e como isso influencia os demais níveis. MODELO 2 (Enem) Estudos de fluxo de energia em ecossistemas demonstram que a alta produtividade nos manguezais está diretamente relacionada às taxas de produção primária líquida e a rápida reciclagem dos nutrientes. Como exemplo de seres vivos encontrados nesse ambiente, temos: aves, caranguejos, insetos, peixes e algas. Dos grupos de seres vivos citados, as que contribuem diretamente para a manutenção dessa produtividade no referido ecossistema são a) aves; b) algas; c) peixes; d) insetos; e) caranguejos. ANÁLISE EXPOSITIVA Conhecer quem são os tipos de organismos responsáveis pela produtividade e como o fluxo energético ocorre é de grande importância para entender como se dá todos os níveis tróficos que ocorrem em um ecossistema. A produtividade está relacionada sempre aos organismos fotossintetizantes (autótrofos ou produtores) que captam a energia solar e o gás carbônico e transformam em matéria orgânica. Essa energia e matéria orgânica ficam então disponíveis para o resto dos níveis tróficos que as obtêm através da alimentação. Como as espécies utilizam a energia nos seus processos metabólicos, a quantidade dispo- nível diminui a cada nível trófico. Com isso, a produtividade de todo ecossistema, nesse caso o manguezal, depende diretamente dos organismos produtores (algas). RESPOSTA Alternativa B 14 VO LU M E 2 C IÊ N CI AS D A N AT UR EZ A e su as te cn ol og ia s 1. Fluxo de energia Enquanto a matéria realiza um ciclo pelos compartimen- tos da biosfera (atmosfera, hidrosfera e litosfera) e tem a decomposição biológica como responsável principal pela remineralização do ambiente, a energia flui pelos com- partimentos da biosfera e posssui como principal fonte primária o sol. FLUXO DE ENERGIA CICLO DE NUTRIENTES FLUXO DE MATÉRIA E ENERGIA NOS ECOSSISTEMAS ECOSSISTEMA RepResentação do ciclo da matéRia, a qual atRavessa os elementos e RetoRna ao ecossistema, e do fluxo de eneRgia, que passa pelos seRes vivos e se dispeRsa no ambiente. A luz solar é usada pelas plantas durante o processo fotos- sintético para converter matéria inorgânica em orgânica e, dessa forma, permitir um aporte nutricional e energético aos demais níveis tróficos. Assim, é fundamental compre- ender que, sem esse insumo energético contínuo do Sol, não haveria matéria orgânica e calor para os ecossistemas. figuRa da chegada e dos caminhos dos Raios solaRes na supeRfície da teRRa. apesaR da fotossíntese utilizaR uma quantidade pequena, o sol ainda é a fonte pRimáRia de eneRgia da biosfeRa. Outro ponto que merece destaque é o uso dos compostos orgânicos para gerar a energia (em especial na respiração celular) e a eliminação de calor nas transformações meta- bólicas nos seres vivos, que ajudam a explicar a constante e contínua ingestão de alimentos. Isso significa que a energia disponível diminui ao longo da cadeia alimentar, pois (1) cada organismo utiliza uma quantidade para manter seus processos metabólicos funcionando e (2) as perdas através da teia não podem ser reaproveitadas. Portanto, o fluxo de energia é sempre unidirecional e decrescente. Respiração Fotossíntese Cons. primários (herbívoros) De co m po sit or es Cons. secundários Cons. terciários Calor não utilizável pelos organismos do ecossistema Fotossíntese Digestão, assimilação e crescimento Excreção e morte Respiração esquema do fluxo de eneRgia nos níveis tRóficos. obseRve o caminho eneRgético desde a conveRsão dos Raios solaRes pela fotossíntese até o uso da matéRia oRgânica pelos consumidoRes em pRocessos metabólicos e a peRda em foRma de caloR. os decompositoRes adquiRem eneRgia de todos os níveis tRófico. 2. As pirâmides ecológicas As pirâmides ecológicas são representações gráficas das in- terações existentes entre os organismos nas cadeias e teias alimentares. Elas indicam as quantidades de indivíduos, massas e energia incorporadas nas relações entre os seres vivos envolvidos. Os “retângulos” ou níveis nas pirâmides são elaborados de acordo com proporções matemáticas, cada um representando um nível trófico. Assim, os produ- tores ocupam nível trófico primário, os consumidores primá- rios ocupam nível trófico secundário, os consumidores se- cundários ocupam nível trófico terciário, e assim por diante. Existem diferentes tipos de pirâmide e cada uma delas pos- sui informações diferentes, além de também apresentar PIRÂMIDES E EFICIÊNCIA ECOLÓGICAS COMPETÊNCIA(s) 3 HABILIDADE(s) 8 e 9 CN AULAS 11 E 12 15 VO LU M E 2 C IÊ N CI AS D A N AT UR EZ A e su as te cn ol og ia s CONEXÃO ENTRE DISCIPLINAS limitações específicas – em nenhuma delas, por exemplo, há a representação dos decompositores e do seu papel fun- damental na manutenção do ecossistema. Assim, para uma melhor análise, é interessante consultar diversas pirâmides ecológicas juntas para que forneçam dados mais completos. 2.1. Número A pirâmide de número mostra a quantidade de organismos em cada nível trófico, dessa maneira sua disposição se altera de acordo com o ecossistema analisado. Porém, como não representar o tamanho dos indivíduos ou a quantidade de matéria orgânica, essa pirâmide não é muito utilizada. No primeiro caso, observa-se um exemplo de pirâmide dire- ta, em que é necessário uma grande quantidade de produ- tores de pequeno porte para sustentar um número menor de consumidores primários que, então, seriam alimento de uma quantidade menor ainda de consumidores secundá- rios – situação que ocorre em uma cadeia contentendo, por exemplo, gramíneas (autótrofas fotossintetizantes), roedores (herbívoros) e aves de rapina (carnívoros). Já no segundo e no terceiro casos, tem-se uma pirâmide invertida. Em uma cadeia de predadores é possível ter um produtor de grande porte e pouco numeroso, como uma árvore, que serve de alimento a um número maior de con- sumidores primários, como insetos. Estes seriam predados, por exemplo, por aves que estariam em menor quantidade. Na cadeia de detritos ou de parasitas, o “produtor” pode ser tanto matéria orgânica decomposta, a qual é consumida por organismos detritívoros, quanto um hospedeiro (árvore) contendo diversos parasitas (pulgões). 2.2. Biomassa Essa pirâmide mostra a quantidade de biomassa (kg ou g) em cada nível trófico, isto é, a massa total de todos os orga- nismos vivos de uma espécie em qualquer área ou volume dado. Trata-se de um termo amplo, que na ecologia se refere ao número de organismos multiplicado pelo seu peso unitá- rio, geralmente em massa seca (após adesidratação), e divido por unidade de área. É importante lembrar que a biomassa registra um momento específico, não a média ou acúmulo da biomassa ao longo do tempo Como a de número, sua forma também varia de acordo com o ecossistema. Em geral, a pirâmide é direta com o ápice para cima, mas em ecossistemas aquáticos ela pode ser invertida. Isso ocorre quando o produtor é formado por fitoplânctons (organismos microscópios fotossintetizantes) que possuem ciclo de vida curto, o qual permite uma rápida renovação dos indivíduos conforme são predados pelo con- sumidor primário (zooplâncton). Cadeia terrestre de biomassa de predadores Cadeia aquática de biomassa de predadores 2.3. Energia A pirâmide energética, finalmente, mostra em cada nível trófico a biomassa acumulada (em grama ou quilocaloria) por área (m²) e por tempo (geralmente ano). Ela representa o fluxo de energia desde os produtores que sintetizam ma- téria orgânica e consomem parte dela para manutenção do seu próprio metabolismo, até o caminho do restante desse recurso que estará disponível para os próximos níveis tróficos. Portanto, como há apenas uma entrada de energia (primeiro nível trófico) que ao longo da cadeia é utilizada Para a compreensão do funcionamento de uma pirâmide energética, são aplicados dois conceitos de química e física. Primeiro, como descrito pela lei de conservação de massa e energia, bem como pela memorável de- claração de Lavoisier: “Na natureza nada se cria, nada se perde, tudo se transforma”. Além disso, segundo a lei da entropia, essa transformação não é de todo eficiente e uma parcela da energia é dispersa em forma de calor. Logo, o fluxo energético em uma pirâmide ecológica diminui quando se distancia da base da pirâmide, pois parte dele é consumida pelos organismos e perdida em forma de energia térmica. Assim, os próximos níveis tróficos superiores possuem sempre uma quantidade de energia menor quando comparada com aquela presente no nível trófico anterior. 16 VO LU M E 2 C IÊ N CI AS D A N AT UR EZ A e su as te cn ol og ia s VIVENCIANDO e perdida em forma de calor, uma pirâmide energética nunca é invertida. exemplo de piRâmide de eneRgia 3. Produtividade de um ecossistema A produtividade de um ecossistema indica a sua capacida- de de crescimento e de manutenção de espécies. A energia acumulada pelos produtores por meio de fo- tossíntese é denominada produtividade primária bru- ta (PPB). A PPB não está totalmente disponível para os consumidores primários, uma vez que os produtores con- somem uma parcela em processos metabólicos, como a respiração celular (RC), para se manterem vivos. Esse saldo entre a produção e o consumo energético do ecossistema é chamado de produtividade primária líquida (PPL) e é efetivamente a energia que está disponível para o próximo organismo sob a forma de matéria orgânica. PPL = PPB - RC Em seguida, os herbívoros, assimilam parte da energia em tecidos, enquanto outra parcela é usada na respiração celular ou eliminada na forma de fezes, excretas e calor. É essa matéria acumulada que estará disponível para os carnívoros que, de maneira similar, consomem uma fração da energia e a transferem para o nível trófico seguinte. O acúmulo e transferência de biomassa pelos heterótrofos é chamado de produtividade secundária (ou terciária, quartenária, etc., dependendo do nível trófico analisado). esquema de cadeia tRófica. obseRve o valoR decRescente da pRodutividade líquida ao longo dos níveis tRóficos A produtividade primária de um ecossistema depende, por- tanto, do alto desempenho fotossintético de seus produto- res e possui fatores limitantes relacionados à fotossíntese – tais como luminosidade, altitude (ambientes terrestres) ou profundidade (aquático), temperatura, pluviosidade, dispo- nibilidade de água líquida e de nutrientes. De maneira geral, a transferência de energia de um nível trófico para outro é ineficiente: apenas cerca de 5 a 20% da biomassa está disponível para o consumidor seguinte. Assim, também é fundamental evitar a perda de energia ao longo da cadeia para que haja acúmulo de biomassa e crescimento das populações. Altos valores de PPL permitem grande crescimento da co- munidade biológica, tanto em número quanto no tamanho dos indivíduos, enquanto índices pequenos representam apenas a capacidade de sustentabilidade, ou seja, a autos- suficiência do ecossistema. Por exemplo, certos ecossistemas florestais apresentam uma grande quantidade de indivíduos vegetais de alto por- te que possuem, em consequência, altas taxas de PPB e RC. Isso significa que a PPL tende a zero – característica presen- te nas chamadas comunidades clímax, as quais serão explicadas em detalhes na aula de sucessão ecológica. Ape- sar de se sustentar e se manter equilibrado, o ecossistema consome quase toda a matéria orgânica produzida e, con- sequentemente, apresenta baixos índices de crescimento. Diversos ecólogos aplicam os conhecimentos sobre pirâmides ecológicas e fluxo de energia para prever a extinção de uma espécie e as consequências desse processo no ecossistema. Segundo a União Internacional para Conser- vação da Natureza, existem atualmente mais de 5 mil espécies de animais em risco de extinção. O elefante-afri- cano, por exemplo, teve sua população diminuída em 63% desde 2002 devido, principalmente, à caça em busca de marfim. Esses animais possuem relações importantes com outros seres vivos, como a simbiose com as acácias, em que os elefantes comem os frutos dessa planta e dispersam as sementes pelas fezes. Assim, a extinção de uma espécie não é apenas um dano local, mas um acontecimento que modifica várias pirâmides ecológicas. 17 VO LU M E 2 C IÊ N CI AS D A N AT UR EZ A e su as te cn ol og ia s O manguezal, em contrapartida, é um ecossistema alta- mente produtivo porque possui, além de uma vegetação própria, deslocamento de grande quantidade de matéria orgânica com o continente e o oceano. Essa riqueza de nu- trientes permite que muitas espécies, como peixes e crustá- ceos, utilizem o manguezal para se abrigar, crescer e repro- duzir. Devido a essa e outras características, os manguezais são chamados de berçários. O gráfico abaixo apresenta diversos ecossistemas e suas respectivas áreas de cobertura no planeta, bem como sua PPL média e sua PPL proporcional à produtividade do pla- neta. Observe que as florestas tropicais, os litorais e as áre- as úmidas (como pântanos e manguezais) estão entre os ecossistemas mais produtivos. Oceano aberto - Plat. continental - Estuário - Macroalgas e recifes - Ressurgência - Ambientes extremos - Desertos - Flor. trop. chuvosa - Savana - Cultivos - Floresta boreal - Campo - Arbustos - Tundra - Flor. trop. sazonal - F. temp. decídua - Flor. temp. perene - Pântanos - Rios e lagos - 0 10 20 30 40 50 60 65,0 5,2 0,3 0,1 0,1 4,7 3,5 3,3 2,9 2,7 2,4 1,8 1,7 1,6 1,5 1,3 1,0 0,4 0,4 70,8% 29,2% 0,8% Porcentagem de área no planeta - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 0 50 0 1,0 00 1,5 00 2,0 00 2,5 00 125 360 1,500 2,500 500 3,0 90 2,200 900 600 800 600 700 140 1,600 1,200 1,300 2,000 250 4985 10133 2250 PPL média (g/m²/ano) - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 0 5 10 15 20 25 24,4 5,6 1,2 0,9 0,1 0,04 0,9 22 7,9 9,1 9,6 5,4 3,5 0,6 7,1 4,9 3,8 2,3 0,3 32,2% 74,8% 2,6% Porcentagem de PPL no planeta 18 VO LU M E 2 C IÊ N CI AS D A N AT UR EZ A e su as te cn ol og ia s DIAGRAMA DE IDEIAS PIRÂMIDES ECOLÓGICAS NUMÉRICA (N) BIOMASSA (KG OU G) ENERGIA (CAL/G/ÁREA) EFICIÊNCIA ECOLÓGICA FLUXO ENERGÉTICO (UNIDIRECIONAL) PPB > PPL > PSL > PTL > PQL & PRODUTIVIDADE DE UM ECOSSISTEMA PPL = PPB - RC PRODUTOR (PPB - RC = PPL) CONSUMIDOR PRIMÁRIO (PSB - RC = PSL) CONSUMIDOR SECUNDÁRIO (PTB - RC = PTL) CONSUMIDOR TERCIÁRIO (PQB - RC = PQL) CADEIA DE PREDADORES COM PRODUTOR DE PORTE PEQUENOE NUMEROSO CADEIA TERRESTRE DE PREDADORES QUALQUER CADEIA CADEIA AQUÁTICA DE PREDADORES CADEIA DE PREDADORES COM PRODUTOR DE GRANDE PORTE E POUCO NUMEROSO CADEIA DE DETRITOS OU DE PARASITAS COM “PRODU- TOR” REPRESENTADO POR CADÁVERES OU HOSPEDEIRO 19 VO LU M E 2 C IÊ N CI AS D A N AT UR EZ A e su as te cn ol og ia s 1. Introdução Como nenhum organismo vive de maneira isolada, é espe- rado que em uma comunidade biológica os seres vivos se relacionem e se influenciem. fonte: Youtube RELAÇÕES ECOLÓGICAS multimídia: vídeo Ha dois critérios básicos que estão envolvidos na classifi- cação das relações ecológicas. Em primeiro lugar, deve-se verificar se a interação ocorre entre organismos da mes- ma espécie ou não. Enquanto relações intraespecíficas ou homotípicas ocorrem entre dois ou mais organismos da mesma espécie, as interespecíficas ou heterotípicas descrevem interações entre dois ou mais seres vivos de es- pécies diferentes. Em segundo lugar, deve-se verificar se essa relação traz algum tipo de prejuízo ou benefício ao seres envolvidos. Nesse caso, pode-se classificá-las em harmônicas ou de- sarmônicas, como será visto a seguir. 2. Relações harmônicas Nessa interação não existe desvantagem para as espécies envolvidas. É possível que ambos os organismos se bene- ficiem ou que pelo menos um deles obtenha vantagem, enquanto o outro permanece indiferente. 2.1. Relações harmônicas intraespecíficas ou homotípicas 2.1.1. Colônias As colônias são constituídas por organismos da mesma espécie, que ficam unidos anatomicamente entre si. As colônias podem ser classificadas em homomorfas ou heteromorfas. As colônias homomorfas ou isomorfas são formadas por organismos idênticos entre si e que exercem as mesmas funções, isto é, não existe uma divisão de trabalho. As cra- cas (crustáceos), os corais e as esponjas são exemplos de organismos formadores de colônias homomorfas. fotogRafia de colônia homomoRfa de coRais. As colônias heteromorfas, por sua vez, são formadas por dois ou mais tipos de seres vivos com morfologia diferente e com divisão de trabalho fisiológico. As colonias dimór- ficas são formadas por dois tipos de organismos, como a Obelia sp., uma colônia de pólipos (cnidários) formada por indivíduos gastrozoides, responsáveis pela nutrição, e gonozoides, responsáveis pela reprodução. Já as colônias polimórficas são formadas por mais de dois indivíduos di- ferentes, cada um adaptado para uma função distinta. Um clássico exemplo dessa forma é a caravela, uma complexa colônia de cnidários formada por uma vesícula flutuante e cheia de ar (pneumatóforo) de onde partem indivíduos responsáveis pela reprodução (gonozoides), nutrição (gas- trozoides), natação (nectozoides) e defesa (dactilozoides). fotogRafia de colônia heteRomoRfa de uma caRavela. RELAÇÕES ECOLÓGICAS COMPETÊNCIA(s) 3 HABILIDADE(s) 8 e 9 CN AULAS 13 E 14 20 VO LU M E 2 C IÊ N CI AS D A N AT UR EZ A e su as te cn ol og ia s 2.1.2. Sociedades As sociedades são associações de organismos da mesma espécie que não vivem ligados anatomicamente e possuem uma organização social cooperativista, com divi- são do trabalho. Entre os insetos existem sociedades com- plexas e extremamente desenvolvidas, como as formigas, os cupins, as abelhas e as vespas. Nas abelhas, por exemplo, é possível observar três castas: a rainha, o zangão e as operárias. Nessa sociedade existe ape- nas uma rainha e ela é a única fêmea fértil de toda a colmeia. Os zangões são machos férteis com função de fecundar a rainha, após isso são expulsos e acabam morrendo por de- bilidade extrema (inanição). Já as operárias são fêmeas esté- reis e possuem funções como as de obter alimento (pólen e néctar) e produzir a cera e o mel. A cera é usada para confec- cionar os locais onde serão postos os ovos, enquanto o mel é fabricado por meio da transformação do néctar e tem como base principalmente a glicose e a frutose. fotogRafia de abelhas opeRáRias em uma colméia, exemplificando a sociedade das abelhas. 2.2. Relações harmônicas interespecíficas ou heterotípicas 2.2.1. Protocooperação A protocooperação, também denominada cooperação, é uma associação entre duas espécies diferentes, na qual as duas são beneficiadas. Entretanto, esse tipo de asso- ciação não é obrigatória à sobrevivência. Ou seja, mesmo os organismos não estando associados, eles con- seguem sobreviver. § O pássaro-palito e o crocodilo: o pássaro-palito obtém seu alimento a partir de vermes e restos alimen- tares presentes na boca doe os crocodilos das margens do rio Nilo, enquanto, por conta disso, o réptil se livra dos parasitas. § O anu e o gado: a ave anu se alimenta dos carrapa- tos presentes no corpo do gado. O gado, por sua vez, livra-se dos parasitas indesejados. a Relação de benefícios mútuos entRe gado e anu. § O paguro-eremita e a anêmona: esse crustáceo marinho, também chamado de caranguejo-bernardo-e- remita, apresenta o abdômen mole e desprotegido de exoesqueleto. Para protegê-lo, o paguro-eremita vive no interior de uma concha vazia de um molusco gastrópo- de. Sobre a concha, fixam-se e se desenvolvem larvas de anêmonas providas de tentáculos urticantes (como os tentáculos das águas-vivas). A vantagem da anêmona é ser transportada pelo paguro, facilitando a captura do alimento. E o caranguejo, por sua vez, aumenta sua pro- teção contra a ação de predadores. 2.2.2. Mutualismo O mutualismo, assim como a protocooperação, é o tipo de interação em que os dois organismos envolvidos saem beneficiados. Entretanto, diferentemente da protocoopera- ção, o mutualismo é uma relação necessária à sobrevi- vência das espécies, que não conseguem viver separa- das umas das outras. § Bactérias do gênero Rhizobium e as raízes de leguminosas: essas bactérias vivem em nódulos pre- sentes nas raízes das leguminosas e fazem parte do ci- clo do nitrogênio, produzindo compostos nitrogenados que são aproveitados pelas plantas. Por outro lado, as bactérias Rhizobim recebem das leguminosas a maté- ria orgânica sintetizadas pela fotossíntese. § Micorrizas: são associações entre fungos e raízes de certas árvores. O fungo, organismo da classe dos decom- positores, fornece nitrogênio e outros nutrientes minerais para a árvore e, em contrapartida, recebe matéria orgâ- nica proveniente da fotossíntese da planta. § Cupins e certos protozoários: os cupins não possuem a enzima celulase responsável pela quebra da celulose, assim, quando ingerem a madeira, não conseguem reali- zar sua digestão. Porém, em seu tubo digestório, existem alguns protozoários flagelados do gênero Thiconympha que possuem essa enzima e são capazes de digerir a ce- lulose, recebendo em troca abrigo e alimento. 21 VO LU M E 2 C IÊ N CI AS D A N AT UR EZ A e su as te cn ol og ia s § Líquens: o líquen é uma associação entre fungos e algas (ou cianobactérias). Eles ficam firmemente aderi- dos às rochas ou às cascas de árvores, formando uma crosta verde-acinzentada. A alga ou a cianobactéria (organismos autótrofos fotossintetizantes) produzem a matéria orgânica que é utilizada pelo fungo (organis- mo heterótrofo), enquanto são envolvida pelas estrutu- ras do fungo e protegidas contra a desidratação. liquens sobRe tRonco de áRvoRe. 2.2.3. Comensalismo O comensalismo se relaciona à obtenção de alimento. Nes- sa interação a espécie chamada comensal é beneficiada, enquanto a outra não leva vantagem nem prejuízo. § Rêmora ou peixe-piolho e o tubarão: No alto da cabeça, a rêmora possui uma ventosa, por meio da qual se fixa no tubarão. O efeito sobre o tubarão é nulo, mas a rêmora se beneficia, porque obtém as sobras ali- mentares do peixe e se desloca sem gasto de energia. Assim, o tubarão é o organismo hospedeiro e a rêmora é o organismo comensal. 2.2.4. Inquilinismo O inquilinismo é uma associação muito semelhante ao co- mensalismo. Entretanto, não envolve alimento, masum local para a proteção e o desenvolvimento do organismo inquili- no. Essa associação ocorre quando uma espécie (inquilino) procura abrigo ou suporte no corpo de outra espécie, sem que haja malefício a esse hospedeiro. § O peixe-agulha e o pepino-do-mar: devido ao seu corpo fino e alongado, o peixe-agulha consegue se abrigar no interior das holotúrias (pepino-do-mar) e se proteger contra as ações dos predadores, sem prejudi- car o pepino-do-mar. § O epifitismo é um tipo específico de inquilinismo en- tre plantas ou algas, em que as epífitas utilizam o outro organismo como suporte físico e não causam qualquer prejuízo. No ambiente terrestre se relaciona principal- mente à obtenção de uma maior quantidade de luz solar, como no caso de orquídeas e bromélias que cres- cem sobre os troncos e galhos de plantas maiores. fotogRafia com bRomélias (plantas epífitas) dispostas sobRe áRvoRes. fonte: Youtube Relações Harmonicas e Desarmonicas... multimídia: vídeo 3. Relações desarmônicas Nas relações desarmônicas um dos organismos envolvi- dos sofre algum tipo de prejuízo, podendo até mesmo ir à óbito. Porém, é importante lembrar que as interações são essenciais para o equilíbrio das comunidades e que, mes- mo uma relação com prejuízos para alguns dos seres vivos, pode contribuir positivamente para o ecossistema. 3.1. Relações desarmônicas intraespecíficas ou homotípicas 3.1.1. Competição intraespecífica É a relação que se estabelece quando indivíduos da mes- ma espécie concorrem por recursos iguais, como espaço e alimento. Ela costuma instalar-se em função de aumento da densidade populacional ou da seleção natural, atuando sobre a variabilidade intraespecífica de certa população. A territorialidade, a disputa por alimento e a procura por parceiros são exemplos de fatores que levam à competição intraespecífica. 22 VO LU M E 2 C IÊ N CI AS D A N AT UR EZ A e su as te cn ol og ia s 3.1.2. Canibalismo Canibal é o indivíduo que mata e come outro da mes- ma espécie. Quando há falta de alimento, por exemplo, a predação intraespecífica pode ocorrer para favorecer adultos em detrimento de filhotes. Outro caso é o do canibalismo sexual, em que um dos organismos, geral- mente a fêmea, consome o parceiro antes, durante ou após a cópula. Por exemplo, as fêmeas de louva-a-deus que em certas ocasiões consomem o macho. fotogRafia de exemplo de canibalismo sexual, em que a fêmea de louva-a-deus se alimenta do macho. 3.2. Relações desarmônicas interespecíficas ou heterotípicas 3.2.1. Competição interespecífica A competição entre indivíduos de populações diferentes se estabelece quando as espécies envolvidas possuem o mes- mo habitat e o mesmo nicho ecológico. Como resultado, há redução da taxa de sobrevivência, do sucesso reprodutivo e do crescimento em pelo menos uma das espécies. A figura a seguir apresenta um exemplo de competição in- terespecífica entre duas espécies do crustáceo comumente denominado como craca. Observa-se que disputam espa- ço no costão rochoso e que a sua distribuição depende do quanto estão adaptadas à exposição solar e à dessecação. Assim, os fatores abióticos preponderantes nesse caso são os ciclos de emersão e submersão, o ritmo das marés, o impacto das ondas, a radiação e outros. esquema da distRibuição de cRacas pelo costão Rochoso. devido à competição inteRespecífica, a espécie balanus balanoides se localiza na paRte de baixo e limita a chthamalus stellatus paRa a paRte acima. sem a pResença do balanus, a chthamalus ocupa o costão até a paRte de maRé baixa. Como em uma comunidade diversos organismos compar- tilham os mesmos fatores, é coerente pensar que não é interessante para as populações competir o tempo todo por recursos iguais ou parecidos. Quando espécies dife- rentes dividem por muito tempo o mesmo habitat e nicho ecológico, a competição interespecífica pode levar à mútua exclusão das espécies – princípio de Gause. Em 1934, Georgy Gause desenvolveu um experimento com duas populações de espécies diferentes de paramé- cios, em que os organismos são colocados para crescer isoladamente (Gráfico A) e em interação (Gráfico B), mas sempre com o mesmos recursos. Observe que a compe- tição por sobreposição de nichos é intensa, a ponto de eliminar a população de P. aurelia. RepResentação do cRescimento de populações de paRamecium caudatum e paRamecium auRelia, isolados (gRáfico a) e em inteRação (gRáfico b), ao longo do tempo. Dessa maneira, é improvável a ocorrência de duas espé- cies que ocupem o mesmo habitat e nicho ecológico. De modo geral, as populações podem coexistir e comparti- lhar recursos do mesmo habitat, desde que o façam de modos distintos. 3.2.2. Amensalismo No amensalismo, uma espécie, denominada inibidora, secreta substâncias que impedem o crescimento, o de- senvolvimento e a reprodução de outra espécie, chamada amensal. É importante ressaltar que a espécie inibidora libera suas substâncias na presença ou não da espécie amensal. Um exemplo dessa relação é a maré verme- lha. Em determinadas condições ambientais, ocorre uma acentuada proliferação de certas espécies de protistas do grupo de dinoflagelados, as quais eliminam toxinas que provocam a morte da fauna marinha. Outro caso é re- presentado por alguns fungos que produzem antibióticos e, assim, impedem o desenvolvimento de bactérias em seu entorno, como a penicilina sintetizada pelo fungo do gênero Penicillium. 23 VO LU M E 2 C IÊ N CI AS D A N AT UR EZ A e su as te cn ol og ia s CONEXÃO ENTRE DISCIPLINAS 3.2.3. Predatismo Predador é o indivíduo que consome a presa, pertencen- te a outra espécie. Os animais carnívoros, como os leões, são ótimos exemplos de predadores. Porém, é importante ressaltar que a herbivoria também é um tipo de predação, uma vez que os animais herbívoros eliminam a presa (se- mente, alga, etc.) de sua população. Na relação presa-predador, a variação da quantidade nos dois grupos está relacionada: a queda do número de linces diminui a predação e possibilita que as lebres deixem mais descendentes. Esse aumento no número de presas significa maior disponibilidade de alimento para os predadores e, ao mesmo tempo, um agravamento da competição intraespe- cífica das lebres. Assim, a população de lince se expande gradualmente, enquanto a de lebre encolhe. A queda da população de presas e o consequente aumento da compe- tição entre os predadores reduz o número de linces, dando continuidade ao ciclo. 1845 1855 1865 1875 1885 1895 1905 1915 1925 1935 Anos Lebres Linces 0 20 40 60 80 100 120 140 160 N úm er o de o rg an is m os (e m m ilh ar es ) gRáfico da vaRiação do númeRo de indivíduos nos pRedadoRes (lince) e nas pResas (lebRe) ao longo do tempo. obseRve como a quantidade de oRganismos nas populações se influenciam. Para analisar a interação presa-predador, são utilizados princípios da Matemática, como gráficos de tempo × número de indivíduos, que auxiliam na compreensão do crescimento populacional de ambas as espécies envol- vidas nessa interação ecológica. Além de aspectos matemáticos, também podem ser utilizados princípios esta- tísticos para prever como determinadas populações de presa-predador irão se comportar ao longo do tempo. 3.2.4. Parasitismo No caso do parasitismo, uma das espécies (parasita) se alimenta de outra (hospedeira). Como o parasita é depen- dente de seu hospedeiro, essa relação é geralmente mais duradoura que a de predatismo e, além disso, não costuma levar a espécie parasitada à morte. Pode-se classificar os parasitas de acordo com sua localiza- ção no corpo da outra espécie. Os ectoparasitas, como as sanguessugas e carrapato, vivem exteriormente ao corpo do hospedeiro, enquanto os endoparasitas, como as tênias e as lombrigas, se encontram dentro do corpo do hospedeiro. Com relação aos vegetais, pode-se, ainda, subdividir os ec- toparasitas em holoparasitas (parasitas totais) e hemi- parasitas(parasitas parciais). O cipó-chumbo é um tipo de holoparasita, pois suas raízes penetram na seiva elaborada da planta hospedeira, retirando a matéria orgânica direta- mente. Já a erva-de-passarinho é um tipo de hemiparasita, pois suas raízes atingem a seiva bruta do hospedeiro, assim ela utiliza a água e sais minerais para realizar fotossíntese e produzir sua própria matéria orgânica. 3.2.5. Esclavagismo ou sinfilia Trata-se da relação ecológica entre indivíduos que se be- neficiam da exploração das atividades, do trabalho ou dos produtos de outros organismos. § Formigas e pulgões ou afídeos: os pulgões são in- setos sugadores de seiva elaborada dos vasos liberia- nos das plantas. Apesar de rica em açúcar, a seiva con- tém poucas quantidades de aminoácidos. Assim, para formar suas próprias proteínas, os pulgões precisam de grandes quantidades dessa seiva, cujo excesso é secre- tado. As formigas, por conta disso, mantém os pulgões “cativos” dentro do formigueiro para se alimentar do açúcar eliminado. Contudo, muitos autores classificam essa interação como protocooperação, uma vez que as formigas protegem os pulgões de predadores e, em al- guns casos, também cuidam de sua prole. fotogRafia mostRando a inteRação entRe foRmigas e pulgões. 24 VO LU M E 2 C IÊ N CI AS D A N AT UR EZ A e su as te cn ol og ia s VIVENCIANDO § Chupim é uma ave que se aproveita do ninho de outras para pôr os próprios ovos. Espécies como o tico-tico preservam os ovos do chupim até que venham à eclosão. Quadro com resumo das relações ecológicas simbioses harmônicas interespecíficas mutualismo (+ / +) vínculo obrigatório líquens; leguminosas e Rhizobium; micorrizas cooperação (+ / +) sem vínculo obrigatório paguru e anêmona; ruminantes e aves comensalismo (+ / 0) alimento tubarão e rêmora Inquilinismo (+/0) proteção e suporte físico plantas epífitas; peixe-agulha e pepino-do-mar simbioses harmônicas intraespecíficas sociedade (+ / +) divisão do trabalho insetos sociais: abelha, cupins colônia (+ / +) vínculo físico caravela; corais simbioses desarmônicas interespecíficas predatismo (+ / –) alimentação onça e capivara; vaca e capim parasitismo (+ / –) exploração do hos- pedeiro por alimento pulga, tênia, esquistossomo competição (– / –) sobreposição de nichos espécies diferentes de cracas no costão rochoso esclavagismo (+ / –) exploração trabalho pulgões e formigas amensalismo (0 / −) substâncias inibidoras fungos que produzem antibióticos; eucalipto simbioses desarmônicas intraespecíficas canibalismo (+ / -) predação intraespecífica aracnídeos; tubarões; louva-a-deus competição (- / -) disputa por recursos conflito entre linces pela mesma presa A consultoria ambiental é um ramo com alto crescimento nos últimos tempos, sendo cada vez mais procurada por instituições, empresas e governos. O objetivo principal é avaliar e analisar os danos e as consequências biológicas e ambientais de um projeto específico. Assim, compreender as relações entre os seres vivos e o meio é fundamental para que biólogos consigam analisar a área e avaliar pedidos de liberação para, por exemplo, projetos de construção. Além disso, pode auxiliar no mapeamento de espécies e na elaboração de estratégias de uso consciente do local. 25 VO LU M E 2 C IÊ N CI AS D A N AT UR EZ A e su as te cn ol og ia s ÁREAS DE CONHECIMENTO DO ENEM HABILIDADE 9 Compreender a importância dos ciclos biogeoquímicos, ou do fluxo de energia para a vida, ou da ação de agentes, ou fenômenos que podem causar alterações nesses processos. O tema relações ecológicas é comum nas provas do Enem. Há uma preocupação em conhecer como as espécies se relacionam entre si, como isso estabiliza o ecossistema e ainda como uma interferência nessas relações pode causar danos ao meio ambiente. MODELO 1 (Enem) A mata Atlântica caracteriza-se por uma grande diversidade de epífitas, como as bromélias. Essas plantas estão adaptadas a esse ecossistema e conseguem captar luz, água e nutrientes mesmo vivendo sobre as árvores. disponível em: <www.ib.usp.bR>. acesso em: 23 fev. 2013 (adaptado). Essas espécies captam água do(a): a) organismo das plantas vizinhas; b) solo, através das suas longas raízes; c) chuva acumulada entre suas folhas; d) seiva bruta das plantas hospedeiras; e) comunidade que vive em seu interior. ANÁLISE EXPOSITIVA A relação ecológica estabelecida entre as bromélias e as árvores é denominada inquilinismo, no qual uma espécie é beneficiada por meio da relação, e a outra espécie é indiferente (+0). Nesse caso, a espécie beneficiada é a bromélia, que, ao ficar no topo das árvores, consegue captar luz, água e nutrientes com mais facilidade e sem prejudicar as árvores. Para captar água, as bromélias utilizam as suas folhas, que se apresentam em um formato que possibilita a acumulação de água. RESPOSTA Alternativa C 26 VO LU M E 2 C IÊ N CI AS D A N AT UR EZ A e su as te cn ol og ia s DIAGRAMA DE IDEIAS RELAÇÕES ECOLÓGICAS DESARMÔNICASHARMÔNICAS INTRAESPECÍFICAS • CANIBALISMO (+-) • COMPETIÇÃO (--) INTRAESPECÍFICAS INTERESPECÍFICAS INTERESPECÍFICAS • SOCIEDADE (++) NÃO UNIDOS ANATOMICAMENTE • COLÔNIA (++) UNIDOS ANATOMICAMENTE • PROTOCOOPERAÇÃO (++) NÃO OBRIGATÓRIA • MUTUALISMO(++) OBRIGATÓRIA • COMENSALISMO (+Ø) • INQUILINISMO (+Ø) • PREDAÇÃO (+-) • PARASITISMO (+-) • ESCLAVAGISMO (+-) • COMPETIÇÃO (--) • AMENSALISMO (Ø-) 27 VO LU M E 2 C IÊ N CI AS D A N AT UR EZ A e su as te cn ol og ia s 1. Dinâmica populacional Como visto anteriormente, as populações são conjuntos de organismos da mesma espécie que ocupam uma certa região durante determinado tempo. A dinâmica populacio- nal, então, utiliza de vários parâmetros e taxas para estudar as variações numéricas de indivíduos, suas possíveis causas e as consequências esperadas ou observadas. gRáfico com as cuRvas de cRescimento populacional ao longo do tempo a: capacidade supoRte do meio b: potencial biótico c: cRescimento Real d: Resistência do meio A curva em forma de “J”, representada no gráfico pela letra B, caracteriza um crescimento exponencial, contínuo e sem interferências do ambiente. Assim, ela equivale ao poten- cial biótico (PB) da espécie: a capacidade reprodutiva e de desenvolvimento de uma população em condições ideiais. Porém, no meio existem diversos fatores limitantes que al- teram a inclinação da curva, diminuindo-a e conferindo-Ihe uma forma bem mais real – “S“ (sigmoide). Essas barrei- ras, representadas pela letra D, constituem a resistência ambiental e determinam a capacidade de suporte do meio (CS), isto é, o número máximo total de indivíduos que um ambiente consegue tolerar (letra A). Desse modo, a curva C demonstra o crescimento real de uma população, após a influência do meio no seu potencial biótico. Observe que sua taxa de crescimento é menor e que, após algum tempo, o valor se estabiliza em torno da CS e sofre apenas pequenas alterações. Crescimento real = Potencial biótico – Resistência do meio Explosão populacional Morte por falta de alimento A população é mantida em equilíbrio pelos predadores naturais Curva em S e d g c f b a Curva em J Gerações Po pu la çã o gRáfico compaRando as duas cuRvas de cRescimento (J e s) ao longo das geRações. 1.1. Resistência do meio (RM) A resistência do meio pode ser compreendida como o conjunto de fatores que limitam o crescimento exponen- cial de uma população. Os habitats fornecem recursos de tipos diversos, como água, espaço, refúgio, alimento e outros. Porém, esses recursos são compartilhados dentro de alguns limites determinados pelo próprio ambiente. Quando a demanda é maior que a disponibilidade, o meio começa a impor certas restrições e, consequen- temente, a reduzir o crescimento populacional. Outros fatores – como poluição, condições ambientais, movi- mentos de migração e relações ecológicas – também influenciam na resistência.1.2. Capacidade de suporte (CS) A capacidade de suporte de um ambiente pode ser en- tendida como o número limite de indivíduos que o meio suporta, sua carga biótica máxima. Esse valor é particular de cada espécie, varia de acordo com o meio analisado e é determinado pela resistência ambiental. A mata tropical, por exemplo, é um ambiente com grande capacidade de suporte e, por isso, apresenta limites mais flexíveis e uma menor resistência do meio. Já o deserto, por outro lado, é um ambiente com pequena capacidade de suporte e, consequentemente, apresenta limites mais es- treitos e maior resistência ambiental. Assim, analisando-se um determinado ambiente, pode-se dizer, matematicamen- te, que a resistência do meio é inversamente proporcional à capacidade de suporte. DINÂMICA POPULACIONAL E SUCESSÃO ECOLÓGICA COMPETÊNCIA(s) 1 HABILIDADE(s) 4 CN AULAS 15 E 16 28 VO LU M E 2 C IÊ N CI AS D A N AT UR EZ A e su as te cn ol og ia s 1.3. Curva de sobrevivência A taxa de sobreviventes ao longo da vida para cada es- pécie determina a sua curva de sobrevivência. Assim, é possível avaliar quando no ciclo de vida os indivíduos es- tão mais vulneráveis e apresentam maior quantidade de mortes. Existem, basicamente, três tipos de curvas, como é possível observar no gráfico a seguir. CURVA DE SOBREVIVÊNCIA 1,000 100 10 1 0 III 50 100 II I Porcentagem de Longevidade N úm er o de s ob re vi ve nt es gRáfico com difeRentes cuRvas de sobRevivência indicando o númeRo de indivíduos pela poRcentagem de longevidade (tempo). A curva I indica que a mortalidade aumenta à medida que a idade avança, característica típica da espécie humana. A curva II aponta que a mortalidade é praticamente constan- te ao longo da vida, tanto para o indivíduo jovem quanto para o adulto e o idoso. A curva III, por sua vez, mostra que há maior mortalidade no início do ciclo, o que demonstra maior vulnerabilidade dos indivíduos jovens. 1.4. Densidade populacional Para estudar a demografia de uma população, é necessário analisar o número de indivíduos e sua distribuição pelo espaço (densidade populacional), dois elementos que variam ao longo do tempo e recebem influência de fatores bióticos e abióticos. Os movimentos migratórios, por exemplo, interferem no contingente populacional. A imigração (I) consiste na chegada de indivíduos à população, enquanto a emigra- ção (E) consiste na saída de indivíduos da população. A taxa de natalidade (TN) é caracterizada pelo total de nascimentos em um intervalo de tempo, enquanto o total de mortes caracteriza a taxa de mortalidade (TM). As expressões abaixo mostram as interações e consequências: I + TN > E + TM O contingente está aumentando; logo, há crescimento populacional. I + TN < E + TM O contingente está diminuindo; logo, a população está decrescendo. I + TN = E + TM O contingente tende a ficar constante; logo, a população parou de crescer. 2. A sucessão ecológica nos ecossistemas As comunidades biológicas são conjuntos de populações de espécies diferentes que ocupam e interagem com o meio de determinada área, sofrendo mudanças em sua composição através dos anos. Essas alterações progres- sivas nas comunidades e no ambiente físico ao longo do tempo caracterizam a sucessão ecológica. 2.1. Fases da sucessão ecológica A primeira a se estabelecer no ambiente é a comunidade pioneira ou ecese, enquanto os estágios seguintes e de transição são denominados sere. Por fim, a que se estabe- lece por último é chamada de comunidade clímax, um estágio autossuficiente e com propriedades homeostáticas. A tendência ao longo desse processo sucessional é a de aumento no número de espécies, habitats, biomassa e interações. Por isso, ao se analisar a produtividade, é esperado que a PPB e a taxa de respiração aumentem. Como PPB – RC = PPL, observa-se que a PPL na comuni- dade clímax tende a zero. Ou seja, tudo o que se produz é consumido. Assim, a comunidade se mantém sem altas taxas de crescimento ou sobras, em volume, de matéria orgânica e oxigênio. Pioneira Sere(s) Climax figuRa mostRando as vaRiações nos paRâmetRos ambientais duRante as difeRentes fases de uma sucessão ecológica. A Amazônia, a Mata Atlântica e os cerrados são exem- plos de comunidades em estado clímax. Como suas PPL tendem a zero, não há grandes excedentes de oxigênio e, por conta disso, também não podem ser responsá- veis pela liberação de oxigênio atmosférico. Apesar das grandes e extensas florestas, com a Amazônia, serem fundamentais na regularização das condições climáti- cas, a função de “pulmão do mundo” é do fitoplâncton marinho que contribui em pelo menos 70% do total de oxigênio do planeta. 29 VO LU M E 2 C IÊ N CI AS D A N AT UR EZ A e su as te cn ol og ia s Estágio Produtividade Bruta Produtividade Líquida Biomassa Biodiversidade ecese pequena alta pequena pequena seres aumenta diminui aumenta aumenta clímax alta pequena alta alta tabela com as vaRiações na ppb, na ppl, na biomassa e na biodiveRsidade em difeRentes estágios da sucessão ecológica. ATRIBUTOS DO ECOSSISTEMA Em desenvolvimento Clímax Condições Ambientais variável e imprevisível constante ou previsivelmente variável POPULAÇÕES Mecanismos de determinação de tamanho populacional abióticos, independentes de densidade bióticos, dependentes de densidade Tamanho do indivíduo pequeno grande Ciclo de vida curto/simples longo/complexo Crescimento rápido, alta mortalidade lento, maior capacidade de sobrevivência competitiva Produção quantidade qualidade Flutuações + pronunciadas – pronunciadas ESTRUTURA DA COMUNIDADE Estratificação (heterogeneidade espacial) pouca muita Diversidade de espécies (riqueza) baixa alta Diversidade de espécies (equitatividade) baixa alta Diversidade bioquímica baixa alta Matéria orgânica total pouca muita ENERGÉTICA DA COMUNIDADE PPB/R > 1 = 1 PPB/Biomassa alta baixa PPL alta baixa Cadeia alimentar linear (simples) em rede (complexa) NUTRIENTES Ciclo de minerais aberto fechado Nutrientes inorgânicos extrabióticos intrabióticos Troca de nutrientes entre organismos e ambiente rápida lenta Papel dos detritos na regeneração de nutrientes não importante importante POSSIBILIDADE DE EXPLORAÇÃO PELO SER HUMANO Produção potencial alta baixa Capacidade de resistir à exploração grande pequena tabela compaRando diveRsos paRâmetRos nas comunidades em desenvolvimento e na clímax, ao longo da sucessão ecológica. 2.2. Sucessões primária e secundária Afirma-se que o processo sucessivo é primário quando ele ocorre em substratos não previamente ocupados por orga- nismos. Exemplos: afloramentos rochosos, exposição de camadas profundas de solo, depósitos de areia, lava vulcânica recém-solidificada, etc. O processo é considerado secundário quando os referidos substratos já foram anteriormente ocupados por uma comunidade e, consequentemente, contêm matéria orgânica viva ou morta (detritos, propágulos). Exemplos: clareiras, áreas desmatadas, fundos expostos de corpos de água, etc. Assim, qualquer regeneração ou recuperação de área degradada é exemplo de sucessão secundária, enquanto o estabelecimen- to de mata amazônica, há cerca de 10 mil anos, num período de glaciação, que diminuiu o nível dos mares e oceanos rasos da localidade, é um exemplo de sucessão primária. 30 VO LU M E 2 C IÊ N CI AS D A N AT UR EZ A e su as te cn ol og ia s VIVENCIANDO Veja a seguir um exemplo de sucessão ecológica secundária a partir de uma área originalmente ocupada por um ecos- sistema florestal que foi desmatada, originando campos de cultura. Observe que o solo superficial é totalmente alterado e impactado pelo uso de arados e outros implementos agrí- colas. Essa situação destrói quase completamente o banco de sementes local, limitando a regeneração da floresta. Campos cultivados figuRa com a áRea após o desmatamento e a foRmação de campos de cultivo. Com o abandono dos campose a predominância de solos expostos, formam-se condições microclimáticas muito típicas, como alta incidência solar, ventos intensos e pouca retenção de umidade devido a elevadas taxas de evapotranspiração. Essas pressões seletivas favorecem algumas poucas espécies resistentes a condições ambientais estressantes, caracteri- zando a comunidade pioneira. Abandono dos campos de culturacom o abandono dos campos de cultuRa, inicia-se uma sucessão ecológica a paRtiR do estabelecimento de uma comunidade pioneiRa. Desse modo, a ocupação pioneira altera as condições am- bientais, favorece um novo conjunto de espécies e determi- na as mudança gradativas na composição de espécies do meio. A partir dela, ocorre a substituição das comunidades em estágios intermediários (seres) e, posteriormente, em uma comunidade clímax. Estágio sucessional adiantado figuRa em um estágio sucessional adiantado, mostRando a Região dos campos cultivados após o pRocesso de sucessão ecológica. Quanto menor o impacto sofrido, mais parecida com a ori- ginal é a mata que surge depois da sucessão. Desse modo, uma área com poucos anos de cultivo permite uma melhor regeneração do que uma área com muito tempo de cultivo. Apesar da sucessão não recuperar de fato a formação ori- ginal, a comunidade alcança uma composição de espécies e uma estrutura máxima para as atuais condições. fonte: Youtube Sucessão multimídia: vídeo Observe na figura a seguir outro exemplo de sucessão: o amadurecimento de lagos de reservatórios em usinas hidroelétricas. Os lagos recém-formados recebem matéria orgânica, a qual favorece o desenvolvimento de decom- positores e de espécies do fitoplâncton. A presença des- tes, por sua vez, permite a manutenção de zooplânctons e de peixes que, então, podem ser colocados no lago. ao se apResentaRem condições favoRáveis ao desenvolvimento da vida, lagos de ReseRvatóRios em usinas hidRelétRicas se toRnam cenáRio da sucessão ecológica. Usar de forma equilibrada os recursos naturais é um dos maiores desafios do ser humano na atualidade. A intera- ção do ser humano com o meio é complexa e, muitas vezes, leva à degradação ambiental e ao comprometimento da vida futura. A crescente conscientização dos indivíduos para a necessidade de conservação e restauração dos recursos naturais estimulou diversos projetos de restauração de ecossistemas devastados pela atividade huma- na. Utilizando dados fitossociológicos (estudo de comunidades vegetais) e o conceito de sucessão, é possível restaurar processos ecológicos fundamentais na reconstrução de uma comunidade funcional com alta diversida- de e reconstruir um ecossistema semelhante ao sistema degradado. 31 VO LU M E 2 C IÊ N CI AS D A N AT UR EZ A e su as te cn ol og ia s DIAGRAMA DE IDEIAS DINÂMICA POPULACIONAL SUCESSÃO ECOLÓGICA PRIMÁRIA SECUNDÁRIA OCUPAÇÃO DE AMBIENTES ESTÉREIS OCUPAÇÃO DE AMBIEN- TES QUE SOFRERAM ALTERAÇÕES AMBIEN- TAIS DRÁSTICAS ECESE ESPÉCIES PIONEIRAS SERE APARECIMENTO, EXTIN- ÇÕES E ALTERAÇÕES NA ABUNDÂNCIA DE POPULAÇÕES CLÍMAX ESTABILIDADE NA COMPO- SIÇÃO DAS COMUNIDADES TAXAS E PARÂMETROS POPULACIONAIS (A) CAPACIDADE DE SUPORTE (CS) (B) POTENCIAL BIÓTICO (PB) (C) CRESCIMENTO REAL (CR) (D) RESISTÊNCIA DO MEIO (RM) D A B C Nº d e In di víd uo s Tempo Curva de crescimento populacional IMIGRAÇÃO (I) | EMIGRAÇÃO (E) TAXA DE NATALIDADE (TN) | TAXA DE MORTALIDADE (TM) I + TN > E + TM CRESCIMENTO POPULACIONAL I + TN < E + TM DIMINUIÇÃO POPULACIONAL I + TN = E + TM POPULAÇÃO CONSTANTE ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ANOTAÇÕES 32 VO LU M E 2 C IÊ N CI AS D A N AT UR EZ A e su as te cn ol og ia s ZOOLOGIA BIOLOGIABIOLOGIA CIÊNCIAS DA NATUREZA e suas tecnologias TEORiA DEDE AULAAULA 2 34 VO LU M E 2 C IÊ N CI AS D A N AT UR EZ A e su as te cn ol og ia s INCIDÊNCIA DO TEMA NAS PRINCIPAIS PROVAS UFMG É frequente a presença de questões relacio- nadas a doenças infectoparasitárias, como as causadas por vermes. Na Fuvest, a zoologia é um dos temas mais comuns; as questões são frequentemente comparativas entre os diferentes filos. Uma prova generalista com relação às características dos seres vivos, não aborda grupos específicos, ao contrário, abrange um vasto número de grupos sempre com- parando-os. Doenças causadas por vermes são comuns nas questões da Unifesp, bem como a ana- tomia de invertebrados. Nessa prova é importante reconhecer semelhanças e diferenças entre os filos animais. Possui maior foco em teorias evolutivas e na taxonomia dos seres vivos. Prova com caráter essencialmente com- parativo e questões que misturam dife- rentes áreas da Biologia. Há presença de assuntos como diversidade de seres vivos e comparação entre os reinos e entre os filos animais. Com poucas questões de Biologia, a PUC de Campinas cobra conhecimento acerca da anatomia comparada dos filos animais e da classificação dos seres vivos. A Santa Casa cobra conhecimentos relacio- nados a verminoses comuns no Brasil, além de anatomia comparada dos animais. É uma prova com questões interdiscipli- nares que cobram conteúdos altamente específicos. É importante reconhecer as ca- racterísticas dos animais e saber comparar os diferentes filos. Questões com alto nível de especificidade que cobram conhecimentos sobre doenças causadas por vermes e anatomia compara- da dos diferentes filos animais. Apresenta questões relacionadas à ana- tomia comparada, porém com enfoques que não estão muito presentes em outros vestibulares. Relações evolutivas, taxonomia e vermi- noses são conteúdos muito presentes nas provas da UERJ. Com questões bem específicas, os temas mais frequentes dentro da zoologia são as características exclusivas e as diferenças entre os filos animais. Saber ler cladogramas, classificar seres vi- vos e diferenciar os animais de diferentes filos são competências fundamentais para ter sucesso nessa prova. 35 VO LU ME 2 C IÊ N CI AS D A N AT UR EZ A e su as te cn ol og ia s 1. Protoctistas autótrofos Os protoctistas podem ou não apresentar clorofila. Aque- les que não contêm clorofila (helerotróficos) são deno- minados protozoários, incluindo as amebas, os pa- ramécios, os plasmódios, etc. Os que contêm clorofila são chamados de protófitos, como as algas unicelulares: as diatomáceas (crisofíceas), os dinoflagelados (pirrofíceas) e as euglenofíceas. Por sua vez, os representantes pluri- celulares e que não possuem tecidos verdadeiros cons- tituem o grupo das algas, formado pelas algas verdes, algas pardas e algas vermelhas. 2. Algas As algas são seres eucariotos, unicelulares ou pluricelula- res, com pigmentos fotossintéticos diversos, além das clo- rofilas. Essas algas habitam ambientes terrestres úmidos, na água doce ou no mar, onde vivem na superfície consti- tuindo o fitoplâncton ou permanecem fixas no fundo por meio de seus apressórios, constituindo o fitobentos. As algas pluricelulares dividem-se em três grupos: clorofíce- as (algas verdes), feofíceas (algas pardas) e rodofíceas (algas vermelhas). As algas foram incluídas há muito tempo no reino das plantas, e há autores que consideram apenas alguns gru- pos de algas unicelulares como pertencentes aos protistas. A opção atual, de acordo com Margulis e Schwartz, é abor- dar todas algas no Reino Protoctista. As algas formam um grupo bastante numeroso e biodiver- so, como pode ser observado a seguir: micRasteRias célula única volvox: colônias scenedesmus: pacotes de 4 células spiRogYRa: filamentosa Dictyota Cutleria Fucus Marcocytosis Sargassum Padina Egregia Sargassum Dictyopteria undulata alguns componentes do diveRso gRupo de algas, com RepResentantes unicelulaRes e pluRicelulaRes de vaRiadas coRes. Os corpos das algas multicelulares, denominados ta- los, podem formar filamentos, lâminas denominadas formas parenquimatosas ou estrututuras que se as- semelham a pequenas folhas, chamadas cenocíticas. A estrutura interna dos talos indica que o conjunto de células não forma tecidos verdadeiros nem órgãos. Observe a figura a seguir: estRutuRa de alga pluRicelulaR As algas apresentam uma grande variedade de pigmentos que lhes fornecem diferentes tonalidades de cor e permi- tem seu estudo e classificação em algas pardas, verdes, vermelhas ou douradas. Esses pigmentos são organizados em plastos, organelas similares aos cloroplastos. 2.1. Algas verdes (Filo Chlorophyta) As algas verdes podem ser unicelulares (isoladas ou colo- niais) ou pluricelulares. Em seus cloroplastos, os pigmentos mais presentes são as clorofilas A e B, embora possam conter carotenos (laranja) e xantofilas (amarelo). A reserva é repre- sentada por amido, e as paredes celulares possuem celulose. Elas são muito comuns e vivem em água doce, salgada e em ambientes terrestres úmidos. Também participam de diferen- tes associações simbióticas, como na formação dos líquens. Com cerca de 17.000 espécies, destacam-se os seguintes gêneros: Spirogira, Ulva, Volvox, Acetabularia, Porphyra e Caulerpa. É provável que esse grupo compartilhe um ances- tral próximo com as briófitas, cuja evolução apresenta adap- tações para o ambiente terreste. Observe na figura a seguir a diversidade das clorofíceas. REINO PROTOCTISTA II: ALGAS COMPETÊNCIA(s) 4 e 8 HABILIDADE(s) 16 e 29 CN AULAS 9 E 10 36 VO LU M E 2 C IÊ N CI AS D A N AT UR EZ A e su as te cn ol og ia s algas veRdes filamentosas algas veRdes unicelulaRes algas veRdes coloniais - volvox sp. algas veRdes pluRicelulaRes fonte: Youtube Clorofíceas ou algas verdes – Diversidade dos Seres Vivos multimídia: vídeo A reprodução sexuada ocorre por isogamia (fusão entre gametas iguais em forma e função), heterogamia (fusão entre gametas distintos em forma e/ou função) ou oogamia (fecundação de um gameta feminino imóvel e grande por um gameta masculino móvel e pequeno). A reprodução assexuada ocorre por meio de esporos. Muitas espécies apresentam alternância de gerações ou metagênese. Note nas figuras a seguir os processos de reprodução sexuada e a metagênese. Isogamia Fecundação Célula-ovo ou zigoto Isogametas Heterogamia morfológica microgameta macrogameta Célula-ovo ou zigoto Fecundação Heterogamia �siológica Oogamia Gameta móvel Fecundação Gameta imóvel Célula-ovo ou zigoto Gameta (oosfera) Fecundação Gameta (anterozoíde) Célula-ovo ou zigoto RepRodução sexuada das algas e tipos de gametas metagênese em algas. ciclo de vida de ulva, uma alga veRde membRanosa. fonte: Youtube Características gerais das Algas - Diversidade multimídia: vídeo 2.2. Algas pardas (Filo Phaeophyta) As algas pardas, chamadas de feofíceas, são pluricelula- res, com o talo (corpo) filamentosas ou parenquimatosas. Algumas algas podem apresentar talos de até 70 metros de comprimento, como as espécies dos gêneros Lamina- ria ou as Kelps, que trazem a aparência de florestas para o fundo dos oceanos. Outros tipos de algas que apresen- tam longos talos são: Sargassum (30 m) e Macrocystis (15 m). Possuem um pigmento denominado fucoxantina ou xantofila (amarelo), que, junto com a clorofila (verde), dá a cor parda que as distingue dos outros filos. Essas algas possuem uma grande importância ecológica, po- dendo servir de habitat a numerosos grupos de animais marinhos. Podem ser utilizadas como adubo e fonte de nutrientes, além de servir como fonte de extração de iodo e de ágar (uma mucilagem, matéria-prima para gelatinas e meios de culturas), que é utilizado em técnicas de labo- ratório de microbiologia na preparação de laxantes pela indústria farmacêutica e na alimentação. fonte: Youtube Feofíceas ou algas pardas – Diversidade dos Seres Vivos multimídia: vídeo As algas pardas possuem o corpo revestido por uma mu- cilagem chamada algina ou alginato. Essa mucilagem estabilizante é extraída das algas pardas e utilizada na fabricação de sorvetes, caramelos e cosméticos. Algumas espécies dessas algas são comestíveis. Vivem fixas no fun- do do mar (bentônicas); a maioria das espécies é marinha e poucas são de água doce. 37 VO LU M E 2 C IÊ N CI AS D A N AT UR EZ A e su as te cn ol og ia s Elas se reproduzem sexuada e assexuadamente, e muitas espécies apresentam alternância de gerações (metagênese). Observe na figura a seguir alguns representantes das feofíceas. exemplos de feofíceas, algas paRdas pluRicelulaRes. da esqueRda paRa a diReita: fucus, laminaRia sp., saRgassum sp., Kelps e macRoRYstis. 2.3. Algas vermelhas (Filo Rodophyta) Conhecidas também pelo nome de rodofíceas, as algas vermelhas vivem principalmente no mar, em zonas que normalmente não ficam descobertas pelas marés. São plu- ricelulares, filamentosas e fixam-se nos fundos litorâneos e oceânicos (bentônicas). Nos plastos, além da clorofila, encontra-se outro pigmento predominante, a ficoeritrina (vermelho), podendo ser encontrada também a ficociani- na (azul). As algas vermelhas são capazes de fornecer ágar (ágar-ágar) e carragem (carragim), outra mucilagem com finalidade alimentícia que também é usada na fabricação de caramelos e sorvetes. Algumas espécies são revestidas de carbonato de cálcio (CaCO3). Esses sais de cálcio as tornam mais resistentes ao rebentamento das ondas, seus talos ficam mais rígidos e fazem parte da formação dos re- cifes de corais. Por esse motivo, são chamadas de algas coralíneas ou calcáreas. A reprodução pode ser sexuada ou assexuada, e muitas apresentam metagênese. A seguir, estão relacionados alguns representantes das rodofíceas. RepResentantes de Rodofíceas, algas veRmelhas pluRicelulaRes. diatomáceas, com suas caRapaças de silício. fonte: Youtube Rodofíceas ou algas vermelhas – Diversidade dos Seres Vivos multimídia: vídeo 3. Os protófitos Os protófitos são seres clorofilados unicelulares que reali- zam fotossíntese e, portanto, apresentam nutrição autótro- fa. Eles são encontrados no mar,na água doce e também nos solos úmidos. A reprodução mais frequente é assexua- da, por meio da bipartição (cissiparidade). Nesse caso, uma célula se divide, dando origem a duas outras, embora ocor- ra também reprodução sexuada. 3.1. Diatomáceas (Filo Bacillariophyta) As diatomáceas também são chamadas de crisofíceas ou algas douradas. A maioria é unicelular e apresenta os pig- mentos caroteno (laranja) e xantofila (amarelo), além da clo- rofila. As diatomáceas, ilustradas a seguir, são os representan- tes mais conhecidos. Trata-se de seres unicelulares, raramente formam colônias, e suas células são recobertas por uma cara- paça, chamada de frústula, formada de dióxido de silício (SiO2). A frústula pode ser formada por duas partes ou valvas de tamanhos iguais ou diferentes que se encaixam. Diatomáceas valvas de diatomáceas maRinhas Essas algas podem viver em água doce e em solos úmidos, mas são predominantemente marinhas, ocupando o fito- plâncton. São consideradas os mais importantes produtores no mar e são fonte de alimento para animais. Suas carapaças podem se depositar no fundo de mares e rios e formar gran- des depósitos ricos em sílica, denominado diatomito, que é utilizado para polir metais, fabricar cerâmica e dinamite. 38 VO LU M E 2 C IÊ N CI AS D A N AT UR EZ A e su as te cn ol og ia s diveRsos tipos de fRústuRas de diatomáceas fonte: Youtube Diatomáceas: parte 3 (Português) multimídia: vídeo Observe na figura a reprodução assexuada por cissiparidade das diatomáceas, que origina duas células filhas de tamanhos desiguais, uma maior, como a progenitora, e uma menor, por conta das valvas de tamanhos diferentes. Esse processo invia- biliza a reprodução das células menores. EPIVALVA CÍNGULO NOVAS VALVAS FORMADAS (HIPOVALVAS) (PARENTAL) HIPOVALVA (PARENTAL) CÉLULAS-FILHAS CÉLULAS-FILHAS HIPOVALVA PARENTAL 1ª GERAÇÃO 2ª GERAÇÃO EPIVALVA PARENTAL modelo esquemático da RepRodução assexuada das diatomáceas. Terra de diatomáceas (diatomitos) A maior parte das diatomáceas vive nos oceanos, particularmente os de águas frias. Quando morrem, depositam no fundo as suas carapaças de sílica, formando depósitos conhecidos como “terra de dia- tomáceas”. Essa terra é usada na fabricação de pasta dentifrícia e dos denominados pós-dentifrícios. É tam- bém utilizada para polimento e para fabricação de filtros industriais. Petróleo As diatomáceas armazenam parte de seus alimen- tos em forma de óleo. Acredita-se que as diatomá- ceas foram responsáveis pela formação do petróleo. Eventualmente, os geólogos encontram depósitos de petróleo por meio da identificação de diatomáceas nas amostras de terra obtidas em perfurações. 3.2. Algas pirrofíceas (Filo Dinophyta) As pirrofíceas são algas unicelulares, eucarióticas, biflage- ladas e podem apresentar, além da parede celular celulósica, uma cobertura externa chamada de teca. Ocorrem princi- palmente no plâncton marinho, entretanto podem existir formas de água doce. Os dinoflagelados, como também são chamados, possuem clorofila, xantofilas e carotenos. Algu- mas formas estão ilustradas na figura a seguir Os dinoflage- lados reproduzem-se vegetativamente por meio de simples divisão celular. Ocorre também reprodução sexuada através da formação de gametas (isogamia ou anisogamia). Gymnodinium Ceratium Noctiluca RepResentantes de dinoflagelados. 39 VO LU M E 2 C IÊ N CI AS D A N AT UR EZ A e su as te cn ol og ia s fonte: Youtube Maré vermelha e presença de toxina diarréica suspende comércio de mariscos em Santa Catarina multimídia: vídeo Podem causar as marés vermelhas, que correspondem a um aumento do número de indivíduos devido a fatores ambientais, como o aumento de nutrientes relacionado a atividades antrópicas e temperaturas altas, formando manchas de coloração visível nos mares. Esse fenômeno, demonstrado na figura a seguir, causa a morte de peixes, devido ao consumo exagerado de oxigênio e à produção de toxinas das algas. Essas toxinas atuam no sistema ner- voso. Os moluscos, mesmo não sendo sensíveis, podem acumular essas toxinas e, depois de serem ingeridos, po- dem contaminar o homem e outros mamíferos. a maRé veRmelha, Resultado da explosão populacional de dinoflagelados. Alguns gêneros de Dinophyta (Pyrrophyta) apresentam bio- luminescência. Por meio da oxidação causada pela enzima luciferase na substância luciferina, presente em suas células, ocorre a formação de um produto molecular excitado que li- bera energia luminosa na forma de fótons. Além disso, repre- sentates desse grupo, as chamadas zooxantelas ou espécies impregnadas com carbonato de cálcio (CaCO3), compõem de forma simbiótica os recifes de corais. 4. Euglenoides (Filo Euglenophyta) Os euglenoides são unicelulares, não apresentam parede celular e se locomovem por flagelos. Vivem principalmente em água doce e apresentam um vacúolo pulsátil que, ao contrair-se, expulsa o excesso de água absorvido continua- mente do meio por osmose. Observe na figura a seguir sua estrutura celular e a Euglena viridis. estRutuRas coRpóReas de euglena. euglenoides vistos pelo micRoscópio óptico. Os seus cloroplastos realizam a fotossíntese; contudo, na ausência da luz e na escassez de reservas nutritivas, os euglenoides são capazes de ingerir partículas alimentares, que entram pela boca da célula (citóstoma), passam pela citofaringe e sofrem digestão de vacúolos digestórios; os resíduos, por sua vez, são eliminados pelo citopígeo, como em unicelulares heterótrofos. Essa característica e a estru- tura de suas células assemelham-se muito às de alguns protozoários, o que culminou no estudo das euglenas tam- bém como protozoários flagelados. Possuem uma região chamada estigma, responsável pela percepção de luz. A reserva é um tipo de amido conhecido por paramilo. 5. Reprodução nas algas As algas apresentam processos de reprodução assexuada por cissiparidade (divisão binária), fragmentação de seus talos, e reprodução sexuada (isogamia, anisogamia e oogamia). A Plasto B Valva menor Vacúolo Núcleo Valva maior Representações esquemáticas de divisão binária em algas RepResentações esquemáticas de divisão bináRia em pRotistas. Algumas algas multicelulares soltam células flageladas assexuadas, os zoósporos, que nadam até atingir locais adequados, onde, ao se fixarem, originam assexuadamente novos indivíduos. Essa reprodução é chamada de zoospo- ria, ilustrada na figura a seguir. 40 VO LU M E 2 C IÊ N CI AS D A N AT UR EZ A e su as te cn ol og ia s Reprodução assexuada nas algas (cont.) Zoósporos: Ulothrix Zoósporos formados por mitose Zoósporos sendo liberados (talo haploide) zoósporo germina exemplo de RepRodução assexuada em algas. Reprodução sexuada Organismos adultos haploides (n) União sexual Fusão citoplasmática Fusão dos núcleos e formação do zigoto (2n) Zigósporo MEIOSE Organismos jovens haploides (n) Ciclo sexuado da alga verde unicelular Chlamydomonas sp. a RepRodução sexuada é comum em quase todas as algas. naquelas que são unicelulaRes, cada oRganismo pode compoRtaR-se como um gameta e, ao se fundiRem, foRmam um zigoto. esse zigoto sofRe meiose e foRma quatRo novos indivíduos haploides. A maior parte das algas multicelulares apresenta o fenômeno de alternância de gerações, em que a meiose ocorre na formação de estruturas reprodutivas chamadas esporos, enquanto os gametas são origina- dos por mitose. Nesse ciclo, um indivíduo forma gametas, por isso ele é conhecido como gametófito. Os gametas originam, por fecundação, um zigoto. O zigoto se desenvolve por multi- plicação celular, originando outro indivíduo que em deter- minado período gera esporos, por isso é denominado es- porófito. Cada esporo origina, por multiplicação celular, um novo gametófito, e assim por diante. Esporos haploides (13 cromossomos) Células onde ocorreu meiose.Detalhe do esporó�to Gametó�tos haploides (13 cromossomos) Detalhe do gametó�to Células formadoras de gametasDesenvolvimento do zigoto Gametas (13 cromossomos) Fecundação Esporó�to diploide (26 cromossomos) Zigoto diploide (26 cromossomos) Ciclo alternante de Ulva lactuca metagênese em alga veRde Na conjugação, ilustrada na figura a seguir, há fusão de células com formação de zigotos. imagem de micRoscopia mostRando detalhes da conJugação. 6. Importância das algas As algas são os principais seres fotossintetizantes e, por- tanto, produtores dos ambientes aquáticos (mares, rios, lagos e lagoas) e em especial aquelas que participam das comunidades da superfície desses ecossistemas, o plâncton, constituindo o componente autótrofo chamado fitoplânc- ton. As algas, assim, sustentam troficamente, direta ou in- diretamente, todos os demais seres que formam as redes ou teias alimentares desses ambientes. Outro fator importante é o fato de serem responsáveis por cerca de 90% do oxi- gênio atmosférico, graças a sua atividade fotossintética. Climaticamente, são importantes pela liberação na atmos- fera de DMS (dimetil-sulfeto), substância que age como facilitador na formação de núcleos de condensação e, portanto, de chuvas. Do ponto de vista econômico, são utili- zadas diretamente na alimentação (verdes, pardas e verme- lhas), fornecem matérias-primas importantes, como o ágar e a carragenina (algas vermelhas). O ágar tem importância na indústria de alimentos e na pesquisa científica, enquanto que a carragenina é usada como estabilizante na fabricação de cremes dentais e laxantes, por exemplo. 41 VO LU M E 2 C IÊ N CI AS D A N AT UR EZ A e su as te cn ol og ia s ÁREAS DE CONHECIMENTO DO ENEM HABILIDADE 29 Interpretar experimentos ou técnicas que utilizam seres vivos, analisando implicações para o ambiente, a saúde, a produção de alimentos, matérias-primas ou produtos industriais. As bactérias são um exemplo da utilização de seres vivos na indústria para a produção de energia. Nesse ex- ercício, é importante a interpretação do experimento proposto e o reconhecimento de como a adição de outro ser vivo (algas) vai ou não potencializar a produção de energia pela bactéria. Também é importante conhecer como isso pode impactar o meio ambiente. MODELO 1 (Enem) Um estudo modificou geneticamente a Escherichia coli, visando a permitir que essa bactéria seja capaz de produzir etanol pela metabolização do alginato, açúcar presente em grande quantidade nas algas marrons. A experiência mostrou que a bactéria transgênica tem capacidade de obter um rendimento elevado na produ- ção de etanol, o que pode ser aplicado em escala industrial. combustível de algas. Revista pesquisa fapesp, ed.192, fev. 2012 (adaptado). O benefício dessa nova tecnologia, em comparação às fontes atuais de produção de etanol, baseia-se no fato de que esse modelo experimental a) Aumentará a extensão de área continental cultivada. b) Aumentará a captação de CO2 atmosférico. c) Facilitará o transporte do etanol no final da etapa produtiva. d) Reduzirá o consumo de água doce durante a produção de matéria–prima. e) Reduzirá a contaminação dos mares por metais pesados. ANÁLISE EXPOSITIVA O alginato é um açúcar presente em algas pardas e é uma mucilagem que reveste o corpo desses organismos. Em geral, essa substância é utilizada na fabricação de sorvetes, doces e cosméticos. Nesse exercício, o açúcar foi adicionado a uma colônia geneticamente modificada de Escherichia coli, uma bactéria que, nessas condi- ções, teve o rendimento de produção de etanol aumentado. Como as algas pardas são predominantemente de água salgada, o consumo de água doce para a obtenção dessas algas será reduzido durante a produção de matéria-prima. RESPOSTA Alternativa D 42 VO LU M E 2 C IÊ N CI AS D A N AT UR EZ A e su as te cn ol og ia s DIAGRAMA DE IDEIAS DIATOMÁCEAS • CAROTENO E XANTOFILA FRÚSTULA (SIO2) • DIATOMITO • CISSIPARIDADE TIPOS DE ALGAS UNICELULARES PIRROFÍCEAS • FLAGELADAS (DINOFLAGELADOS) • CLOROFILA, XANTOFILAS E CAROTENO • DIVISÃO SIMPLES (ASSEXUADA) OU ISOGAMIA (SEXUADA) • MARÉ VERMELHA • BIOLUMINESCÊNCIA (LUCIFERINA) EUGLENOIDES • AUSÊNCIA DE PAREDE CELULAR • FLAGELOS • ESTIGMA • PARAMILO ALGAS VERDES • CLOROFILAS A E B • CAROTENOS E XANTOFILAS • AMIDO (RESERVA) • CELULOSE • REPRODUÇÃO SEXUADA (ISOGAMIA, HETEROGAMIA OU OOGAMIA) • REPRODUÇÃO ASSEXUADA (ESPOROS) TIPOS DE ALGAS PLURICELULARES ALGAS PARDAS • FUCOXANTINA OU XANTOFILA • IODO E ÁGAR • ALGINA • REPRODUÇÃO ASSEXUADA OU POR ALTERNÂNCIA DE GERAÇÕES ALGAS VERMELHAS • CLOROFILA • FICOERITRINA • FICOCIANINA • ÁGAR E CARRAGEM • CARBONATO DE CÁLCIO (RECIFE DE CORAIS) ALGAS (PROTOCTISTAS AUTÓTROFOS) EUCARIONTES E FOTOSSINTETIZANTES • FITOPLÂNCTON • FITOBENTOS • PIGMENTOS FOTOSSINTETIZANTES • CLOROFILAS • MARINHAS OU DE ÁGUA DOCE • AMBIENTES TERRESTRES ÚMIDOS UNICELULARES (PROTÓFITOS) PLURICELULARES (SEM TECIDO VERDADEIRO) 43 VO LU M E 2 C IÊ N CI AS D A N AT UR EZ A e su as te cn ol og ia s 1. Introdução ao estudo dos metazoários O estudo do Reino Animal é responsabilidade da zoologia. Os animais, ou metazoários, são seres multicelulares e heterótro- fos e a hipótese mais aceita é que evoluíram de organismos eucarióticos unicelulares flagelados que viviam de forma colo- nial e aumentaram de forma crescente sua interdependência. O Reino Animal pode ser divido em dois sub-reinos: parazo- ários, que incluem as esponjas (poríferos), animais que não apresentam organização em tecidos, e os eumetazoários, que incluem todos os demais grupos, pois formam tecidos verda- deiros – células que se organizam de forma interdependente. Além dessa divisão, há diferentes características do desenvol- vimento e da fisiologia dos animais que nos permitem clas- sificá-los e analisar a evolução biológica do Reino. Assim, a zoologia mostrará graus de complexidade bastante diferentes entre os 29 filos e 1,5 milhão de espécies conhecidas. 1.1. Desenvolvimento e embriologia dos metazoários Todos os animais são diploides que se desenvolvem a par- tir de um zigoto formado pela fecundação de dois gametas haploides, os quais, por sua vez, são formados por meiose. O zigoto inicia o desenvolvimento a partir de sucessivas mi- toses e, nesse processo, surgem camadas de células deno- minadas folhetos germinativos, que serão diferenciadas em tecidos e órgãos. Os cnidários, primeiros eumetazoários, são chamados de animais diblásticos, pois formam apenas dois folhetos germinativos: endoderme e ectoderme. A par- tir dos platelmintos, todos são chamados de triblásticos, pois observa-se a presença de três folhetos embrionários, a ectoderme, a endoderme e a mesoderme. Basicamente, a ectoderme origina a epiderme, a endoderme origina o reves- timento interno do tubo digestivo, e a mesoderme origina os demais tecidos, como a musculatura. Assim, trata-se de um indicador de maior compexidade. Nos animais triblásticos é possível que ocorra a formação de uma cavidade corpórea, fundamental para acomodar órgãos e estruturas internas. Essa cavidade atua na circulação de substâncias ao longo do corpo, acolhe resíduos celulares que serão eliminados e pode, ainda, estar preenchida de líquido sob pressão, que funciona como estrutura de sustentação em um esqueleto hidrostático. Os animais sem cavidade corpórea são denomi- nados acelomados; os animais cuja cavidade é o celoma, ou seja, revestida unicamente por mesoderme, são denomi- nados celomados; e os animais cuja cavidade corpórea é revestida pela mesoderme e pela endoderme são denomina- dos pseudocelomados. Observe abaixo a exemplificação da presença do celoma nos animais: Tubo digestório Pseudocelomado Pseudoceloma Celomado Ectoderme Mesoderme Endoderme Acelomado caRacteRização dos seRes vivos em Relação ao celoma. http://www.sobiologia.com.bR/conteudos/embRiologia/RepRoducao12.phpSEM FOLHETOS EMBRIONÁRIOS poríferos diblásticos cnidários triblásticos acelomados platelmintos pseudocelomados nematódeos celomados anelídeos moluscos artrópodes equinodermas cordados No estágio do desenvolvimento embriológico denominado gástrula, forma tridimensional com uma cavidade (arquênte- ro), há uma comunicação com o meio chamada blastóporo e ela formará o ânus nos deuterostômios (equinodermos e cordados) e a boca nos seres protostômios, que são todos os PORÍFEROS E CNIDÁRIOS COMPETÊNCIA(s) 4 e 8 HABILIDADE(s) 13, 15, 16 e 28 CN AULAS 11 E 12 44 VO LU M E 2 C IÊ N CI AS D A N AT UR EZ A e su as te cn ol og ia s outros grupos. Observe a seguir a exemplificação do desen- volvimento embrionário dos protostômios e deuterostômios: Arquêntero Alongamento Blastóporo Gástrula em corte Boca Ânus Deuterostômio Girino (vertebrado) Protostômio Hidra (cnidário) Prostostômios e deuterostômios pRostostômios e deuteRostômios Nos protostômios, o celoma origina, entre o conjunto de células mesodérmicas, um espaço chamado de esquizoce- loma. Nos deuterostômios, a invaginação da mesoderme forma bolsas, cuja cavidade interior é o celoma, o qual é denominado de enteroceloma. 1.2. A simetria corporal A ideia de simetria corresponde a "similar", "idêntico". O plano de simetria corporal corresponde a um plano imaginá- rio que, passando pela região intermediária do animal, pode- ria dividi-lo em duas metades semelhantes. Assim, um peixe, um inseto ou um cachorro apresentam simetria bilateral, da mesma forma que os platelmintos, uma vez que apresentam duas metades semelhantes: a direita e a esquerda. No caso de uma anêmona-do-mar (cnidário), a simetria é denomina- da radial. Há mais de um plano imaginário que divide o ser em metades semelhantes. Veja alguns exemplos de simetria: Simetria bilateral Simetria radial Simetria bilateral Simetria radial Para animais sésseis, a simetria radial é uma vantagem ao permitir respostas ao ambiente em todas as direções a partir do local que se situam. Já com o surgimento dos bilaterais, é possível falar em região anterior, posterior, dorsal ou ven- tral. Essa organização corpórea permite a organização de um sistema digestório completo e muito mais eficiente, pois possibilita uma abertura bucal, na extremidade anterior, e outra anal, na extremidade posterior. Outra característica im- portante, derivada da bilateralidade, é que a região anterior pode concentrar estruturas nervosas e sensoriais no proces- so de cefalização. A cefalização viabilizou maior complexida- de do sistema nervoso e uma extraordinária capacidade de exploração do ambiente ao redor. 2. Poríferos (Espongiários) Os poríferos são também conhecidos como esponjas. Existem cerca de 5 mil espécies, predominantemente ma- rinhas, sendo apenas 150 espécies dulcícolas. Observe a seguir exemplos dessa diversidade. exemplo da biodiveRsidade de poRífeRos Dentro da escala zoológica, as esponjas são os represen- tantes mais simples, em termos evolutivos. As esponjas não possuem tecidos verdadeiros e, em conse- quência, não apresentam órgãos definidos. Essa é a carac- terística que favorece a grande capacidade de regene- ração desses animais. Quando cortada em vários pedaços, uma esponja pode reconstituir diversos novos indivíduos. CÉLULAS CAPAZES DE ORIGINAR NOVAS ESPONJAS ESPÍCULAS GEMULAÇÃO ESPONJA VIVA ESPONJA DESAGREGADA FORMAÇÃO DE NOVAS ESPONJAS REORGANIZAÇÃO CELULAR REGENERAÇÃO http://www.geocities.ws/pRi_biologiaonline/RepRoducao_esponJas.html http://wesleibio.blogspot.com.bR/2016/05/filo-poRifeRa.html 45 VO LU M E 2 C IÊ N CI AS D A N AT UR EZ A e su as te cn ol og ia s fonte: Youtube Coanócitos – Emanuel multimídia: vídeo 2.1. Estrutura e fisiologia As esponjas são animais filtradores, ou seja, retêm par- tículas existentes nas correntes de água que atravessam o corpo. Elas capturam partículas suspensas na água e geram um fluxo de água que entra pelos poros ao longo do corpo até alcançar uma cavidade denominada átrio ou espon- giocele. No átrio, os coanócitos, células com aspecto de colarinho, geram o fluxo de água por meio de movimentos contínuos dos flagelos e também capturam as partículas e as digerem. A água é enviada para o meio externo por uma abertura maior, central, denominada ósculo. A organização do corpo de um porífero saída de água ósculo espículas poros entrada de água átrio (espongiocela) �agelo colarinho coanócito amebócito espículas pinacócitos porócito a oRganização do coRpo de um poRífeRo. O alimento é digerido por vacúolos no interior das células (di- gestão intracelular) e, posteriormente, distribuído para todo o corpo através de células denominadas amebócitos. Exter- namente, a parede corpórea é revestida por células epidérmi- cas achatadas denominadas pinacócitos, que têm a função de revestimento e proteção.A organização do corpo de um porífero saída de água ósculo espículas poros entrada de água átrio (espongiocela) �agelo colarinho coanócito amebócito espículas pinacócitos porócito Entre a camada de pinacócitos (pinacoderme) e a de coa- nócitos (coanoderme), há uma região intermediária que é preenchida pelo mesênquima, uma estrutura gelatinosa que contém, além de amebócitos, uma rede de proteínas, denominada espongina, e espículas de carbonatos de cálcio ou sílica, que se prestam à sustentação das partes moles. Também apresentam os porócitos, células tubulosas percorridas por uma perfuração cônica que re- gulam a entrada de água e formam os numerosos poros que caracterizam as esponjas. Quando adultos, são sésseis, isto é, fixos principalmente a substratos rochosos e conchas. Existem três tipos estrutu- rais de esponjas: áscon, sícon e lêucon, que apresentam gradual aumento da superfície de contato dos coanócitos com a água, de modo que as esponjas do tipo lêucon estão mais adaptadas a promover uma filtração mais eficiente da água e aproveitam melhor os nutrientes disponíveis. Ob- serve os esquemas das três principais formas de poríferos: Átrio Átrio Água Água Câmaras �ageladas Ascon Sycon Leucon esquema RepResentativo dos tRês tipos estRutuRais de poRífeRos O tipo áscon ou asconoide aparece como um vaso ou tubo fixado no substrato. A parede do corpo é formada por duas camadas celulares – dermal e gastral – separadas pelo mesênquima. A água, portanto, segue o seguinte flu- xo: poros, átrio e ósculo. O tipo sícon ou siconoide possui a parede do corpo es- pessa e percorrida por um sistema de curtos canais radiais: inalantes e exalantes. Os primeiros abrem-se na superfície externa e terminam em fundo cego. Os exalantes são in- ternos e desembocam no átrio. Os pinacócitos revestem os canais inalantes e o átrio, ficando os coanócitos limitados aos canais exalantes. Entre os dois tipos de canais, a comu- nicação é realizada pelos porócitos. O tipo lêucon ou leuconoide é o mais complexo. O átrio é reduzido, enquanto a parede do corpo é bastante desen- volvida e percorrida por um complexo sistema de canais e câmaras. Os coanócitos só aparecem nas câmaras esféricas, interpostas no trajeto dos canais. Os canais que partem dos poros e atingem as câmaras são denominados inalantes ou aferentes. Os canais exalantes ou eferentes saem das câmaras e atingem o átrio. 46 VO LU M E 2 C IÊ N CI AS D A N AT UR EZ A e su as te cn ol og ia s A partir dessa estrutura corporal e celular, a digestão é do tipo intracelular, a excreção é realizada por difusão para o meio externo, não há sistema nervoso e a respiração é aeróbica, sendo realizada diretamente pelas células. Ape- sar da simplicidade desses organismos, calcula-se que uma esponja de 10 cm de altura e 1 cm de diâmetro é capaz de bombear e filtrar cerca de 22 litros de água por dia, a partir do batimento flagelar dos coanócitos. 2.2. Reprodução Esponja Indivíduos unidos Broto Indivíduos isolados RepRodução poRbRotamento em esponJa. CÉLULAS CAPAZES DE ORIGINAR NOVAS ESPONJAS ESPÍCULAS GEMULAÇÃO ESPONJA VIVA ESPONJA DESAGREGADA FORMAÇÃO DE NOVAS ESPONJAS REORGANIZAÇÃO CELULAR REGENERAÇÃO As esponjas podem se reproduzir de forma sexuada, quando ocorre a união de gametas masculino, liberado na água, e feminino, formando um zigoto que origina uma larva ciliada (anfiblástula), ou assexuada, que pode ocor- rer por brotamento, regeneração e por meio de gêmulas (gemulação) que aparecem mais em esponjas de água doce. A reprodução mais comum é o brotamento. Obser- ve na figura a seguir um exemplo de reprodução sexuada. Penetração através do porócito Desenvolvimento da An blástula (larva) Liberação da an blástula através do ósculo Desenvolvimento Esponja Liberação de espermatozoides Fecundação Óvulo Fixação ao substrato RepRodução sexuada de poRífeRos 2.3. Sustentação do corpo Os espongiários possuem um endoesqueleto, localizado entre as duas camadas celulares, podendo ser mineral ou orgânico. O esqueleto mineral é formado por espículas calcárias e silicosas com um, três ou mais eixos. Quanto ao esqueleto orgânico, é constituído por uma densa rede de fibras de espongina, uma escleroproteína. A esponja de banho usada antigamente é apenas o esqueleto orgâ- nico de esponjas marinhas. espículas Espículas de poríferos: das mais variadas formas. espículas de poRífeRos das mais vaRiadas foRmas. https://pRezi.com/ggx6ctd6liz-/filo-poRifeRa/ fonte: Youtube Filtração esponja multimídia: vídeo 3. Celenterados (cnidários): o surgimento da cavidade gástrica Os cnidários são organismos com simetria radial; predomi- nantemente aquáticos marinhos, podem nadar livremente (medusas) ou viver fixos (pólipos) no fundo do mar ou dos 47 VO LU M E 2 C IÊ N CI AS D A N AT UR EZ A e su as te cn ol og ia s rios, sozinhos ou formando colônias. Esse grupo compreen- de as hidras, os corais e as anêmonas-do-mar. Trata-se de animais predadores, com tamanho variando desde formas microscópicas até outras macroscópicas de muitos metros. Observe a seguir exemplos da biodiversidade do grupo: exemplo da biodiveRsidade de cnidáRios São os primeiros representantes do Reino Metazoa a apre- sentarem tecidos verdadeiros e especializados, que origi- nam órgãos e estruturas mais complexas. 3.1. Estrutura e fisiologia O corpo dos cnidários é organizado por uma cavidade que atua na digestão e na circulação de nutrientes, chamada de cavidade gastrovascular que se abre para o meio exter- no por meio da boca. Em torno da boca, há tentáculos que auxiliam na captura das presas. É a presença da cavidade que deu esse nome aos celenterados, devido ao fato de serem os primeiros ou os mais próximos dos ancestrais dos primeiros seres com uma cavidade digestiva (cele = cavi- dade; enteron = digestiva). Existem dois padrões de formas nesses animais: pólipo e medusa, os quais são observados na imagem a seguir. http://www.euqueRobiologia.com.bR/2013/10/ filo-cnidaRia-caRacteRisticas-geRais.html Os pólipos possuem corpo tubular e apresentam duas extre- midades: uma é fechada, que o fixa ao substrato; a outra con- tém a boca e os tentáculos. Os pólipos podem viver isolados ou formar colônias. Exemplos: anêmonas-do-mar, hidra e co- rais. A maioria é fixa, mas podem se locomover. Um exemplo é a hidra de água doce, que se locomove por cambalhotas. As medusas possuem o corpo em forma de guarda-chuva: a boca se localiza na região central da superfície côncava, e os tentáculos pendem dos bordos. São móveis e de corpo gelatinoso, por isso são conhecidas como águas-vivas. O movimento é realizado pelos tentáculos em torno da boca, ou por jato-propulsão quando apresenta um véu que per- mite manter a água sob pressão. Embora os celenterados apresentem certa organização nos sistemas digestivo e nervoso, eles não possuem sistema respiratório e circulatório definidos. A excreção ocorre atra- vés da difusão dos excretas pela superfície interna e exter- na do corpo. Restos alimentares podem ser eliminados pela boca, uma vez que o sistema digestório é incompleto. 3.1.1. O significado e a importância da cavidade digestiva A presença de uma cavidade digestiva permite ao animal realizar parte da digestão de forma extracelular e, conse- quentemente, ingerir alimentos maiores. Esses alimentos gradativamente sofrerão o ataque de sucos digestivos constituídos por enzimas, que catalisarão a sua degrada- ção em substâncias menores absorvíveis e utilizáveis no metabolismo pelas demais células do corpo. Nesse grupo, a digestão é extracelular e intracelular. A vantagem de in- gerir alimentos maiores e digeri-los eficientemente reside na possibilidade de atender uma maior demanda energé- tica do organismo e desenvolver maior complexidade es- trutural, de comportamento, de metabolismo e distribuição mais ampla de habitats que os poríferos. Observe a seguir a estrutura da cavidade gastrovascular: epiderme nematocisto mesogleia gastroderme célula glandular célula �agelada gastroderme célula interstical mesogleia epiderme célula nervosa célula sensitiva célula intersticial célula epitélio- muscular cnidoblasto com nematocisto célula epitélio- digestivas tentáculo boca pé cavidade gastRovasculaR dos cnidáRios 3.1.2. Sistema nervoso difuso e o arcorreflexo Esses animais apresentam reações a estímulos externos que permitem a eles se defenderem ou capturarem suas presas. Isso se deve ao fato de possuírem uma rede de cé- lulas nervosas que conduzem impulsos ao longo de todo o corpo. Trata-se da primeira ocorrência de células nervosas (neurônios) no reino animal. Nessa estrutura nervosa, os neurônios se associam em uma rede difusa, com células sensoriais e atuam sob células epitélio-mus- culares, que permite movimentos rápidos (arcorreflexo) e úteis na captura de presas e na defesa contra seus pre- 48 VO LU M E 2 C IÊ N CI AS D A N AT UR EZ A e su as te cn ol og ia s dadores. Ao contrário do que ocorre com mamíferos, por exemplo, o impulso nervoso não é unidirecional, sendo transmistido nos dois sentidos. SISTEMA NERVOSO DIFUSO EM CNIDÁRIOS REDE DIFUSA DE NEURÔNIOS QUE TOMAM PARTE EM ROTAS DE REFLEXOS SIMPLES CÉLULAS NERVOSAS QUE INTERAGEM COM CÉLULAS SENSORIAIS E CÉLULAS EPITÉLIO-MUSCULARES (CONTRÁTEIS) O MESMO TIPO DE RESPOSTA MOTORA É USADA PARA DIFERENTES PROPÓSITOS (POR EX. REFLEXO DE CAPTURA DE ALIMENTO E FUGA DE PREDADORES É O MESMO TIPO SOMENTE MAIS ACELERADO NO TEMPO) TEIA NERVOSA NEURÔNIOS DA REDE NERVOSA CÉLULA EPITÉLIO-MUSCULAR CÉLULA SENSORIAL PORÇÃO CONTRÁTIL DAS CÉLULAS EPITÉLIO-MUSCULARES ANÊMONA DO MAR Rede nervosa sistema neRvoso difuso em cnidáRios SISTEMA NERVOSO DIFUSO EM CNIDÁRIOS REDE DIFUSA DE NEURÔNIOS QUE TOMAM PARTE EM ROTAS DE REFLEXOS SIMPLES CÉLULAS NERVOSAS QUE INTERAGEM COM CÉLULAS SENSORIAIS E CÉLULAS EPITÉLIO-MUSCULARES (CONTRÁTEIS) O MESMO TIPO DE RESPOSTA MOTORA É USADA PARA DIFERENTES PROPÓSITOS (POR EX. REFLEXO DE CAPTURA DE ALIMENTO E FUGA DE PREDADORES É O MESMO TIPO SOMENTE MAIS ACELERADO NO TEMPO) TEIA NERVOSA NEURÔNIOS DA REDE NERVOSA CÉLULA EPITÉLIO-MUSCULAR CÉLULA SENSORIAL PORÇÃO CONTRÁTIL DAS CÉLULAS EPITÉLIO-MUSCULARES ANÊMONA DO MAR Rede nervosa fonte: http://isaninhacientista.blogspot.com. bR/2012_06_01_aRchive.html 3.2. A embriologia dos diblásticos A parede do corpo é formada por duas camadas celula- res separadas pela mesogleia, de natureza gelatinosa. São organismos diblásticos, com órgãos apresentando funções bem definidas. A camada celular externa é a ec- toderme, na qual aparecem três tipos de células: epité- lio-muscular, sensoriais e cnidoblastos. As primeiras são cilíndricas e apresentam fibrilas contrácteis. Dispostas longitudinalmente, executam duas funções: proteção e movimento. Contraindo-se ou distendendo-se, as células epitélio-musculares atuam como musculatura longitudinal, encurtando o corpo e os tentáculos. As célulassensoriais são delgadas e possuem no polo api- cal um curto bastonete sensorial. Através da base, entram em contato com uma rede de células nervosas. Os cni- doblastos aparecem principalmente nos tentáculos. Na camada interna, denominada gastroderme, são en- contrados dois tipos de célula: musculares digestórias e glandulares. As musculares digestórias possuem a mesma forma das epitélio-musculares, dispostas transver- salmente, e funcionam como musculatura transversal, re- duzindo o diâmetro do corpo. O polo apical dessas células biflageladas emite pseudópodes para fagocitar partículas alimentares. As células glandulares secretam enzimas di- gestórias. Observe a seguir a estrutura descrita: Gema Ovário Testículo Boca Tentáculo Fibrilas contrácteis Mesogleia Vacúolo digestório Células do mesênquima Célula sensorial Cnidoblasto Pseudópode Partícula alimentar Célula glandular Célula nutritiva-muscularCélula nervosa Endoderme (gastroderme) Célula epiteliomuscular Ectoderme estRutuRa da gastRodeRme 3.2.1. Os cnidoblastos Os celenterados são animais predadores e carnívoros que, além dos tentáculos, descarregam uma substância urtican- te para capturar suas presas. Essa substância está presente nos cnidócitos ou cnidoblastos, células cuja presença exclu- siva nesse grupo permitiu nomeá-los de cnidários. O cni- doblasto é dotado de uma cápsula, o nematocisto, que abriga em seu interior um tubo filamentoso enovelado e envolvido por um líquido urticante; contém ainda um cílio sensorial que funciona como um “gatilho”: ao ser estimu- lado, o filamento desenvagina-se rapidamente, penetrando no animal que tocou o cnidocílio e injetando o líquido. Conhecido como hipnotoxina, o líquido paralisa as pre- sas maiores e mata as menores. No homem, provoca as “queimaduras” características das chamadas águas-vivas. Observe a seguir o esquema: 49 VO LU M E 2 C IÊ N CI AS D A N AT UR EZ A e su as te cn ol og ia s Cnidoblasto Opérculo Filamento urticante Cnidocílio (cílio sensível ao contato) estRutuRa de um cnidoblasto fonte: http://tudodeconcuRsosevestibulaRes.blogspot.com. bR/2013/01/cnidaRios-questoes-vestibulaR.html fonte: Youtube Cnidários: Anêmonas, Medusas, Hidras... multimídia: vídeo 3.4. Reprodução 3.4.1. Brotamento A reprodução dos celenterados pode ser assexuada e se- xuada. Na figura, é possível observar o brotamento em hidra, representando um processo assexuado. O broto for- mado pode se desprender, fixar-se ao substrato e crescer como um indivíduo separado, ou permanecer ligado ao indivíduo original e formar uma colônia. RepRodução assexuada poR bRotamento 3.4.2. Metagênese Existe uma grande variedade de espécies de celenterados e alguns grupos apresentam uma peculiaridade na reprodu- ção. No ciclo reprodutivo, há duas formas de vida que se alternam. Uma forma de pólipo dá origem a medusas por reprodução assexuada. As medusas geram gametas que for- mam um zigoto. Esse zigoto origina uma larva ciliada, que se fixa e forma um novo pólipo. Essa alternância de gerações, em que uma fase se reproduz assexuadamente e a outra sexuadamente é conhecida como metagênese. A fase se- xuada é representada pela forma medusoide, produtora de gametas que se encontram externamente, gerando uma lar- va denominada plânula. A larva origina a forma polipoide. A fase assexuada é representada pelo pólipo, que se repro- duz por brotamento ou por estrobilização (fragmentação). Observe a seguir os ciclos reprodutivos existentes no grupo: Reprodução sexuada: colônia �xa FASE ASSEXUADA medusas livres FASE SEXUADA espermatozoide óvulo zigoto fecundação blástula larva plânula pólipo jovem alteRnância de geRações nos cnidáRios fonte: https://pt.slideshaRe.net/matheusfelipe56/poRifeRoscelenteRados-6 óvulo na superfície do corpo feminino embrião em desenvolvimento hidra em desenvolvimento nova hidra espermatozoides 3.5. Classificação dos cnidários Os cnidários apresentam quatro classes principais, das quais apenas a classe Anthozoa não apresenta fase medusoide. 3.5.1. Classe Anthozoa A maior classe dos cnidários, com mais de 6.000 espécies, não apresenta metagênese, ou seja, os organismos perma- necem na forma de pólipos durante todo o ciclo de vida. Os antozoários são o grupo basal dentro do Filo Cnidaria, ou seja, é o primeiro grupo dentro da filogenia do grupo Cni- daria a partir do qual os outros se diversificaram. Os repre- sentantes mais importantes são as anêmonas-do-mar, que têm hábitos solitários, e os corais, os quais são coloniais, além de secretar e depositar carbonato de cálcio de forma contínua em sua epiderme externa. 3.5.2. Classe Hydrozoa Além da hidra, existem inúmeros representantes da classe dos hidrozoários, como a obelia e a caravela (Physalia) – indivíduo colonial muito comum nos mares tropicais e temperados. 50 VO LU M E 2 C IÊ N CI AS D A N AT UR EZ A e su as te cn ol og ia s VIVENCIANDO hYdRa viRidissima fonte: https://en.wiKipedia.oRg/wiKi/hYdRa_viRidissima A reprodução das obelias obedece a um ciclo em que se alternam pólipos (fase assexuada e duradoura) e medusas (fase sexuada e pouco duradoura). Num polipeiro (colônia), há dois tipos de pólipos: o nutridor e o reprodutor. O re- produtor origina medusas por brotamento. São pequenas e produzem gametas masculinos e femininos; os esperma- tozoides são liberados na água e o óvulo pode ou não ser liberado. Ocorrida a fecundação, forma-se o zigoto, do qual se desenvolve o embrião e o nascimento da larva ciliada, a plânula – importante forma de dispersão da espécie. Fixada a um substrato apropriado, ela transforma-se em um novo pólipo que vai gerar novo polipeiro. 3.5.3. Classe Scyphozoa As formas predominantes – e sexuadas – dos cifozoários são bonitas medusas de cores variadas, as águas-vivas ver- dadeiras. Os pólipos, por sua vez, são pequenos e resultam da pouco duradoura fase assexuada. Poríferos e cnidários produzem compostos que são de interesse farmacológico e biológico, especialmente os cnidários, pois são animais que produzem diversos tipos de toxinas utilizadas na defesa ou na predação. Essas to- xinas podem ser utilizadas como ferramentas na pesquisa biomédica para analisar as propriedades das moléculas e os tipos de célula que elas afetam, como canais iônicos e outras proteínas de membrana. Essas moléculas de toxinas podem ser aplicadas em estudos farmacológicos como base para o desenvolvimento de drogas aplicadas a doenças humanas, devido às suas propriedades analgésicas, bioativas, como citotoxicidade (ações antitumo- rais), propriedades cardiotônicas e anti-inflamatórias, etc. As medusas apresentam formato de guarda-chuva, que podem alcançar de dois a 40 centímetros de diâmetro, di- ferentes, portanto, das do grupo de hidrozoários. Dois me- tros de diâmetro é a medida a que pode chegar a medusa gigante do Atlântico Norte. A fecundação da espécie Aurelia aurita é interna; depois de nadar durante certo tempo, a plânula dá origem a um pólipo fixo, o cifístoma; representante de uma geração assexuada, ele se reproduz por estrobilação. Nesse processo, fragmentos sucessivos do corpo do pólipo formam uma pilha de discos (éfiras, medusa jovem) e amontoam-se uns sobre os outros. Depois de certo tempo de crescimento, são liberados para dar origem a uma medusa adulta, fechando o ciclo. auRelia auRita 3.5.4. Classe Cubozoa Nos cubozoários, é o cifístoma (pólipo) que dá origem a uma medusa, sem estrobilação nem formação de éfiras. A vespa- -do-mar (Chinorex fleckeri) é a cubomedusa mais perigosa. Ela é dotada de um veneno gravemente tóxico e em quan- tidade suficiente para matar 60 pessoas. Predadores ativos podem levar a vítima a óbito em apenas dois minutos. 51 VO LU M E 2 C IÊ N CI AS D A N AT UR EZ A e su as te cn ol og ia s CONEXÃO ENTRE DISCIPLINAS CLASSES DE CELENTERADOS Classe Relação pólipo/medusa RepresentantesHydrozoa Pólipos predominantes Hydra sp (dulcícolas), Obelia sp (colonial), Physalia sp (caravelas e coloniais) Scyphozoa Medusas predominantes (água-vivas) Aurelia sp Anthozoa Exclusivamente polipoides Actinia sp (anêmonas-do-mar) e corais (com exoesqueletos calcários que participam da formação de recifes) Cubozoa Pólipo dá origem à medusa Chironex Fleckerí O conceito químico de filtração, que é o “método utilizado para separar sólido de líquido ou fluido que está suspenso, pela passagem do líquido ou fluido através de um meio permeável capaz de reter as partículas sóli- das”, é aplicado para designar o tipo de alimentação dos poríferos. Os poríferos são bem conhecidos pela sua capacidade de filtração, processo pelo qual esses animais sem tecidos definidos obtêm seu alimento. Assim, esse conceito químico de separação de mistura é usado dentro da zoologia para definir o modo de vida das esponjas. 52 VO LU M E 2 C IÊ N CI AS D A N AT UR EZ A e su as te cn ol og ia s ÁREAS DE CONHECIMENTO DO ENEM HABILIDADE 15 Interpretar modelos e experimentos para explicar fenômenos ou processos biológicos em qualquer nível de organização dos sistemas biológicos. A figura representa um fenômeno decorrente da poluição de ambientes aquáticos. Nesse caso, a poluição está associada à acidificação de meio causada pelo aumento do dióxido de carbono. Associar esse problema ambiental em conjunto com o esquema apresentado sobre os recifes de corais é fundamental para a resolu- ção correta. MODELO 1 (Enem) Parte do gás carbônico da atmosfera é absorvida pela água do mar. O esquema representa reações que ocorrem naturalmente, em equilíbrio, no sistema ambiental marinho. O excesso de dióxido de carbono na atmosfera pode afetar os recifes de corais. O resultado desse processo nos corais é o(a): a) seu branqueamento, levando à sua morte e extinção; b) excesso de fixação de cálcio, provocando calcificação indesejável; c) menor incorporação de carbono, afetando seu metabolismo energético; d) estímulo da atividade enzimática, evitando a descalcificação dos esqueletos; e) dano à estrutura dos esqueletos calcários, diminuindo o tamanho das populações. ANÁLISE EXPOSITIVA O aumento de gás carbônico é prejudicial aos organismos aquáticos que possuem estruturas com bicar- bonato de cálcio. O gás carbônico em água forma ácido carbônico e, consequentemente, íons bicarbonato, que, por sua vez, dissociam-se em íons hidrogênio e íons carbonato. Essa acidificação danifica os esquele- tos calcários dos recifes de corais e, consequentemente, leva à diminuição das populações. RESPOSTA Alternativa E 53 VO LU M E 2 C IÊ N CI AS D A N AT UR EZ A e su as te cn ol og ia s DIAGRAMA DE IDEIAS PORÍFEROS CNIDÁRIOS& • ESPONJAS • FILTRADORES ESPONGIOCELE • COANÓCITOS FLUXO DE ÁGUA • ABERTURA ÓSCULO • AMEBÓCITOS DISTRIBUIÇÃO DE ALIMENTO • ENDOESQUELETO MINERAL - Ca ou Si ORGÂNICO - Espongina • REPRODUÇÃO SEXUADA (LARVA ANFIBLÁSTULA) ASSEXUADA BROTAMENTO OU GEMULAÇÃO • TIPOS ESTRUTURAIS ASCON SYCON LEUCON • HIDRAS, CORAIS E ANÊMONAS-DO-MAR • DIBLÁSTICOS • SIMETRIA RADIAL • CAVIDADE DIGESTIVA • CNIDOBLASTOS HIPNOTOXINA • SISTEMA NERVOSO DIFUSO • REPRODUÇÃO ASSEXUADA BROTAMENTO OU ESTROBILIZAÇÃO ALTERNÂNCIA DE GERAÇÕES PÓLIPO FASE ASSEXUADA MEDUSA FASE SEXUADA (LARVA PLÂNULA) • TIPOS ESTRUTURAIS PÓLIPO MEDUSA 54 VO LU M E 2 C IÊ N CI AS D A N AT UR EZ A e su as te cn ol og ia s 1. Platelmintos – surge a simetria bilateral e a triblastia Durante muito tempo, os vermes foram considerados ani- mais de corpo alongado que se deslocam rastejando no substrato. Atualmente, o termo é aplicado na zoologia sem valor taxonômico e envolve três grupos de animais bem diferentes: platelmintos, nematelmintes e anelídeos. Os platelmintos (do grego: plathis = achatado; helminthes = verme) são os primeiros animais nos quais ocorre a sime- tria bilateral. Eles possuem corpo alongado e dorsoventral- mente achatado. O tamanho é variado, indo de alguns mi- límetros até vários metros. O habitat e o hábito de vida são variados. Os animais de vida livre aparecem na água doce, salgada e na terra úmida, geralmente abrigados embaixo de folhas, gravetos e troncos. Também existem os parasitas, que vivem às custas de outros seres, explorando-os como ecto ou endoparasitas. planáRia schitosoma mansoni taenia sp fonte: Youtube Planária Vídeo multimídia: vídeo 2. A estrutura do corpo A parede do corpo dos platelmintos ou tubo músculo-der- mático é constituída por uma epiderme com um epitélio simples (apenas uma camada de células), ciliado e recober- to por cutícula nos parasitas. A musculatura é formada por duas camadas de fibras musculares lisas, a externa circular, e a interna longitudinal. Essa estrutura garante proteção, locomoção e sustentação, uma vez que não há outro ele- mento esquelético. Observe a seguir: estRutuRa do coRpo dos platelmintos PLATELMINTOS COMPETÊNCIA(s) 4 e 8 HABILIDADE(s) 13, 15, 16 e 28 CN AULAS 13 E 14 55 VO LU M E 2 C IÊ N CI AS D A N AT UR EZ A e su as te cn ol og ia s 3. Fisiologia § Nutrição – o sistema digestório é incompleto, pois apresenta uma única abertura, a boca, que serve para a ingestão de alimentos e para a eliminação de resídu- os. A boca é seguida por uma faringe e, depois, por um intestino terminado em fundo cego e multirramificado, que facilita a distribuição do alimento por todas as par- tes do corpo do animal. Esse aspecto é uma grande vantagem, uma vez que não há sistema circulatório. A digestão ocorre nos meios extracelular e intracelular. Existem espécies parasitas, totalmente desprovidas de sistema digestório. A figura a seguir apresenta a estru- tura digestória de uma planária: sistema digestóRio da planáRia e outRas estRutuRas (à esqueRda). planáRia vista pelo micRoscópio óptico (à diReita). § Respiração e trocas gasosas – não há estruturas responsáveis pelas trocas gasosas com o meio. As es- pécies de vida livre são aeróbias e as trocas são reali- zadas por simples difusão entre o epitélio permeável do animal e o meio. Os endoparasitas são anaeróbios. § Excreção – esse grupo inaugura na escala zoológica a ocorrência de um sistema excretor, os protonefrídeos, que são formados por um conjunto de tubos ramificados; nas extremidades das ramificações existem estruturas espe- cializadas, as quais variam nos distintos grupos de platel- mintos: em alguns são os solenócitos (que têm um único flagelo), e em outros, como a planária, são as células-fla- mas (que têm vários flagelos). Os metabólitos, retirados pelas células-flama, que filtram o meio interno do animal, são transportados a canais excretores que desembo- cam na superfície do corpo por meio de diminutos poros. Células-�ama Poros excretores Canal excretor Cordões nervosos longitudinais Nervos Canal excretor Tufo de cílios Citoplasma Núcleo estRutuRa do sistema excRetoR dos platelmintos fonte: http://bloggiologia.blogspot.com.bR/2011/10/platelmintos.html § Coordenação nervosa – nesses organismos, tem-se a primeira ocorrência de cefalização, isto é, uma ca- beça. São os primeiros animais da escala a apresentar um sistema nervoso central e elementos sensoriais na região anterior do corpo. Assim, são portadores de um centro de coordenação nervosa, em que apare- cem dois gânglios cerebroides ou um anel ner- voso, ligados a cordões nervosos longitudinais, transversalmente unidos por cordões transversais, as comissuras. Nas planárias de água doce, existem dois ocelos com células fotorreceptoras capazes de perceber luminosidade, embora não consigam formar imagens. Na região cefálica, há projeções laterais, as aurículas, que são capazes de identificar substâncias químicas. estRutuRa do sistema neRvoso dos platelmintos§ Reprodução – normalmente são hermafroditas ou monoicos com fecundação interna e um desenvolvi- mento direto ou indireto. Há espécies que se reprodu- zem assexuadamente, principalmente por regeneração. 4. A classificação dos platelmintos § Classe Turbellaria (turbelários): seres de vida livre com epitélio ciliado. Exemplo: planária. § Classe Trematoda (trematódios): seres parasitas com epiderme não ciliada e uma ou mais ventosas. Exemplo: Schistosoma. § Classe Cestoda (cestódios): seres parasitas com corpo dividido em anéis ou proglotes. Exemplos: Taenia solium e Taenia saginata. 5. A esquistossomose e o ciclo de vida do Schistosoma mansoni A esquistossomose intestinal, popularmente conhecida como barriga-d’água, é uma doença provocada pelo platelminto Schistosoma mansoni, um verme dioico com nítido dimorfis- mo sexual. O macho, que mede de 1 a 2 cm de comprimento, 56 VO LU M E 2 C IÊ N CI AS D A N AT UR EZ A e su as te cn ol og ia s apresenta o corpo com duas porções distintas: uma anterior e afilada, na qual aparecem as duas ventosas, e outra posterior, que forma ventralmente uma dobra, o canal ginecóforo, no qual se aloja a fêmea. A fêmea, que mede de 1,5 a 2,5 cm de comprimento, é mais longa e delgada do que o macho. Macho Fêmea dimoRfismo sexual do s. mansoni http://www.geocities.ws/ceueteRRa/schistosomamansoni.htm O verme adulto habita os vasos do sistema porta-hepáti- co, um conjunto de veias que atravessa o fígado. Para se reproduzir, o macho elimina os espermatozoides no canal ginecóforo; a partir desse ponto, eles penetram no poro genital da fêmea. Por ocasião da postura, os vermes acasalados abandonam o sistema porta-hepático e atingem as veias da parede in- testinal, onde as fêmeas realizam a postura dos ovos. A obstrução de vasos pelo verme causa o consequente acú- mulo de líquido no abdômen, o que explica o nome popu- lar da doença: barriga d'água. Providos de um espinho lateral, os ovos furam os tecidos e caem na luz intestinal, sendo eliminados com as fezes. No interior da casca, há uma larva ciliada, o miracídio. Saindo do ovo, o miracídio nada em busca do hospedei- ro intermediário, um caramujo (molusco) pertencente ao gênero Biomphalaria, que vive em locais de água pouco corrente ou estagnada, principalmente lagoas. No interior do caramujo, o miracídio perde os cílios, cresce e se transforma no esporocisto, um saco que produz, por pedogênese, as cercárias, larvas com um corpo alonga- do e uma cauda bifurcada. Saindo do molusco, as cercárias penetram de forma ativa no homem, o hospedeiro defi- nitivo. A penetração produz uma irritação cutânea, daí o nome de “lagoas de coceira” dado àquelas lagoas que são infestadas pelos parasitas. Em certas regiões interioranas, também é comum a expressão: “Se nadou e depois coçou, é porque pegou”. Na pele, a cercária perde a cauda, trans- formando-se em metacercária, caindo na circulação e atingindo, finalmente, os vasos do sistema porta-hepático e transformando-se nas formas adultas. Observe a seguir o ciclo de vida do Schistosoma mansoni: ciclo de vida do schistosoma mansoni. fonte: https://www.ResumoescolaR.com.bR/biologia/ plasmodios-esquistossomose-e-teniase-ciclo- de-vida-tRansmissao-e-causadoRes/ No quadro clínico mais comum, os sintomas são febre, anorexia, diarreias, dor abdominal e hepatoesplenome- galia. Nas complicações mais graves, ocorre a hipertensão portal, que provoca severa insuficiência hepática, capaz de causar a morte do hospedeiro. As medidas profiláticas mais comuns são: 1. Tratamento dos doentes por meio da destruição dos ver- mes no organismo humano. 2. Saneamento básico, que impede que os ovos contami- nem a água. 3. Combate aos caramujos transmissores. 4. Evitar nadar em lagos e rios contaminados. 6. Teníase e cisticercose: o ciclo de vida de Taenia sp. A teníase é uma doença causada pela presença das formas adultas das tênias ou solitárias no intestino delgado humano. O indivíduo parasitado normalmente só apresen- ta um parasita, daí o verme ser conhecido por solitária. A teníase pode ser provocada por duas espécies de platel- mintos: a Taenia solium e a Taenia saginata. Outra doença causada pelos organismos é a cisticercose, determinada pela presença das ovos embrionados (cisticercos) da Taenia solium nos tecidos humanos, como nos olhos e no cérebro. As tênias apresentam o corpo dividido em três partes com características diferentes para cada espécie: escólex, colo e estróbilo. Na Taenia Solium, o escólex ou cabeça é a porção anterior destinada a fixar a tênia na superfície interna da parede intestinal. É globoso, com cerca de 1 mm de diâmetro e apresenta o aparelho de fixação constituído por quatro ventosas e uma dupla coroa de ganchos quitinosos. O pes- 57 VO LU M E 2 C IÊ N CI AS D A N AT UR EZ A e su as te cn ol og ia s VIVENCIANDO coço ou colo é a porção mais delgada que liga o escólex ao corpo. O estróbilo ou corpo é constituído por uma série de 800 a 900 segmentos denominados de anéis ou proglotes. fonte: Youtube Teníase achado colonoscópico multimídia: vídeo Na parte anterior, aparecem os anéis jovens (imaturos); na mediana, os anéis maduros, onde há testículos e ová- rio, já que são hemafroditas; e, na região mais posterior do animal, os grávidos constituídos por apenas um útero desenvolvido contendo os ovos formados por autofecun- dação. Esse verme mede normalmente de 2 a 3 metros de comprimento, mas pode alcançar de 8 a 10 metros. A Taenia saginata apresenta escólex quadrangular, com 1,5 mm de diâmetro e quatro ventosas, sem ganchos quitinosos. O estróbilo atinge entre de 4 a 12 metros de comprimento e até 2 mil anéis. As planárias podem ser usadas como bioindicadores biológicos da qualidade da água. Diversos fatores podem contribuir para a alteração da qualidade das águas continentais, como defensivos agrícolas, metais pesados, entre outros. Essas substâncias tóxicas apresentam um risco para a saúde humana e de outros seres vivos. A detecção dessas substâncias pode ser realizada por meio de recursos altamente eficientes, como análise química, métodos radioquímicos, cromatográficos, entre outros; no entanto, esses recursos são custosos e trabalhosos. Outra técnica para esse tipo de análise envolve a participação de organismos vivos sensíveis a mudanças na qualidade da água, funcionando como indicadores da presença de substâncias nocivas, estranhas ou venenosas. As tênias obtêm seu alimento através da absorção de líquidos nutritivos do hospedeiro e não possuem sistema digestório, o que representa uma extrema adaptação à vida parasitária. Observe na figura a seguir a estrutura corpórea de uma tênia: estRutuRa da taenia sp. 58 VO LU M E 2 C IÊ N CI AS D A N AT UR EZ A e su as te cn ol og ia s CONEXÃO ENTRE DISCIPLINAS A teníase apresenta duas fases: uma no hospedeiro inter- mediário, porcos ou bois, e outra no hospedeiro definitivo, o ser humano. Na reprodução sexuada, ocorre autofecundação e as gônadas degeneram nos anéis grávidos, restando ape- nas um útero desenvolvido contendo os ovos. Na T. solium, esses anéis são expulsos passivamente durante ou após a evacuação; na T. saginata, são expulsos isolada e ativamente, forçando o esfíncter anal fora das evacuações. Os ovos são embrionados e ingeridos pelo hospedeiro intermediário: o porco, no caso da T. solium, e o boi, no caso da T. saginata. Atravessando a parede intestinal e caindo na circulação, os ovos atingem a musculatura do animal, onde se alojam formando granulações denominadas cisticercos. Caso o ser humano coma carne malpassada, o cisticerco sobrevive- rá e libertará um pequeno escólex que formará uma nova solitária. A presença do verme adulto no intestino huma- no provoca uma série de perturbações: bulimia, anorexia, náuseas, diarreias, insônia, fadiga e irritação nervosa. As medidas profiláticas são a inspeção de matadouros para verificara presença de cisticercos na carne, o cozimento adequado desta e saneamento básico, pois a existência de redes de esgotos impede que as fezes humanas infectadas sejam ingeridas pelo gado. No grupo dos platelmintos (vermes achatados), existem indivíduos que são parasitas anaeróbicos, e, portanto, necessitam de hospedeiros para sua sobrevivência. Para auxiliar na compreensão de como os parasitas anaeró- bicos sobrevivem no interior do corpo do hospedeiro, são utilizados conceitos químicos, como reações químicas e enzimas participantes do processo de respiração anaeróbica. Observe abaixo um tipo de reação química que pode ocorrer na respiração anaeróbica: ciclo de vida da taenia solium. fonte: http://biologiasemcomplicacao.blogspot.com.bR/2011/10/o-ciclo-de-vida-da-taenia-solium.html 59 VO LU M E 2 C IÊ N CI AS D A N AT UR EZ A e su as te cn ol og ia s A cisticercose é a enfermidade causada pela localização do ovo embrionado no organismo do ser humano, que pas- sa a funcionar como hospedeiro intermediário. O homem se infesta ingerindo ovos existentes em água poluída, hor- taliças e frutos. Transportados pela corrente circulatória, os ovos embrionados atingem principalmente os olhos e o cérebro; em casos mais raros, fixam-se nos músculos cau- sando dores e fraqueza muscular. Bem mais graves são as localizações nos olhos, provocando a cegueira, ou então no cérebro, determinando epilepsia e até desordens mentais. http://www.sobiologia.com.br/conteudos/Reinos2/ platelmintos.php multimídia: site ÁREAS DE CONHECIMENTO DO ENEM HABILIDADE 15 Interpretar modelos e experimentos para explicar fenômenos ou processos biológicos em qualquer nível de organização dos sistemas biológicos. As doenças causadas por vermes platelmintos ainda preocupam pessoas que vivem em determinadas re- giões do Brasil. A dificuldade em combater essas doenças se dá pela falta de medicamentos disponíveis no mercado. Essas doenças são negligenciadas, e conhecer o seu ciclo de vida é fundamental para entender como o produto natural indicado na questão pode ajudar no combate a uma dessas doenças. MODELO 1 (Enem) Euphorbia mili é uma planta ornamental amplamente disseminada no Brasil e conhecida como coro- a-de-cristo. O estudo químico do látex dessa espécie forneceu o mais potente produto natural moluscicida, a miliamina L. moReiRa. c.p.s.; zani. c.l.; alves, t.m.a. atividade moluscicida do látex de sYnadenium caRinatum boiss. (euphoRbiaceae) sobRe biomphalaRia glabRata e isolamento do constituinte maJoRitáRio. Revista eletRônica de faRmácia, n. 3, 2010 (adaptado). O uso desse látex em água infestada por hospedeiros intermediários tem potencial para atuar no controle da: a) dengue; b) malária; c) elefantíase; d) ascaridíase; e) esquistossomose. ANÁLISE EXPOSITIVA O produto miliamina L é moluscicida, isto é, combate espécies de caramujo. Dentro do grupo de vermes causadores de doenças, existe um platelminto da espécie Schistosoma mansoni causador de uma doença denominada esquistossomose, também conhecida como barriga d'água, em que o seu hospedeiro inter- mediário é um caramujo. Assim, o produto teria um potencial controle da doença. RESPOSTA Alternativa E 60 VO LU M E 2 C IÊ N CI AS D A N AT UR EZ A e su as te cn ol og ia s DIAGRAMA DE IDEIAS PLATELMINTOS CLASSIFICAÇÃOCARACTERÍSTICAS SIMETRIA BILATERAL SISTEMA DIGESTIVO INCOMPLETO TURBELLARIA • PLANÁRIA • EPITÉLIO CILIADO • VIDA LIVRE CIRCULAÇÃO E RESPIRAÇÃO EXCREÇÃO CEFALIZAÇÃO REPRODUÇÃO • DIFUSÃO • PROTONEFRÍDEOS • SISTEMA NERVOSO CENTRAL • HERMAFRODITAS OU MONOICOS (SCHISTOSSOMA) • FECUNDAÇÃO INTERNA • DESENVOLVIMENTO DIRETO OU INDIRETO TREMATODA • PARASITAS COM EPIDERME NÃO CILIADA SCHISTOSSOMA MANSONI ESQUISTOSSOMOSE CESTODA • PARASITAS COM CORPO DIVIDIDO EM ANÉIS TAENIA SOLIUM TAENIA SAGINATA TENÍASE INGESTÃO DE CISTI- CERCOS DE CARNE DE PORCO OU BOI CISTICERCOSE INGESTÃO DO OVO 61 VO LU M E 2 C IÊ N CI AS D A N AT UR EZ A e su as te cn ol og ia s 1. Os asquelmintos (nematelmintos) – o surgimento do sistema digestório completo Os Nematelmintes (do grego nema = fio + helminthes = verme) são organismos vermiformes, isto é, possuem corpo cilíndrico, mas não segmentado, com típica simetria bilateral e extremidades afiladas. Trata-se de animais de ampla distri- buição que vivem na água doce, no mar e no solo. Diversas espécies de nematelmintos são parasitas de vegetais e ani- mais. As principais parasitoses que infestam o homem são: ascaridíase, ancilostomíase, oxiurose e elefantíase. 1.1. A estrutura do corpo A parede do corpo, tubo músculo-dermático, é formada por três camadas: cutícula, epiderme e a musculatura. A cutícula, uma camada externa secretada pela epiderme, é acelular. A epiderme é constituída por um epitélio simples que, ao perder as membranas celulares, origina um sincício, ou seja, uma massa citoplasmática plurinucleada. A muscula- tura é formada por duas camadas, uma longitudinal mais interna e abaixo da epiderme, e outra transversal. Ao lado, há um corte transversal. Cavidades Cutícula Epiderme Músculo Nervo dorsal Cavidade do Intestino Excretor Músculo Célula Nervo ventral estRutuRa coRpoRal básica de um nematelminto fonte: Youtube TV DR. MOISES - Verminose - Medicação de rotina? Não! multimídia: vídeo 2. Fisiologia § Digestão – trata-se dos primeiros animais da escala a apresentar um sistema digestório completo com boca anterior e ânus posterior. A digestão extracelular ocorre por meio de enzimas liberadas no interior do tubo digestório. A distribuição dos nutrientes resultan- tes do processo digestivo ocorre por difusão. esquema anatômico de um nematelminto § Excreção – constituído por um ou dois canais ou tu- bos longitudinais. Cada tubo é formado por uma célula gigante e canaliculada, também denominada célula H. NEMATELMINTOS COMPETÊNCIA(s) 4 e 8 HABILIDADE(s) 13, 15, 16 e 28 CN AULAS 15 E 16 62 VO LU M E 2 C IÊ N CI AS D A N AT UR EZ A e su as te cn ol og ia s § Circulação e trocas gasosas – não possuem siste- mas respiratório e circulatório. Nas espécies de vida li- vre, a respiração é aeróbia, cutânea e ocorre por difusão simples. Nos parasitas, ocorre a respiração anaeróbia. § Coordenação nervosa – formado por um anel nervo- so anterior e uma série de cordões nervosos longitudinais. § Reprodução – com raras exceções, os nematoides são animais dioicos, quase sempre com dimorfismo sexual. Os machos são sempre menores, menos nume- rosos e de vida curta; diferenciam-se morfologicamente das fêmeas pela extremidade posterior do corpo, que se enrola em espiral ou se expande formando a bolsa copuladora. A fecundação é interna e o desenvolvimen- to direto ou indireto. 3. Ascaridíase A ascaridíase é uma parasitose intestinal, cujo agente etiológico é o Ascaris lumbricoides, popularmente conhe- cido como lombriga. Nos dois sexos, distingue-se a boca trilabiada. A fêmea apresenta de 35 a 40 cm de com- primento, e sua extremidade posterior é alongada, com ânus ventral e subterminal. O macho mede de 15 a 35 cm, possui a extremidade posterior recurvada e apresenta duas espículas copuladoras. Linha lateral Fêmea Macho Boca trilabiada Espículas Macho Fêmea dimoRfismo sexual de ascaRis sp. fonte: https://blogdoenem.com.bR/filo-nematodea-ascaRidiase-lombRiga/ Os vermes adultos vivem e se reproduzem na luz do in- testino delgado. Os ovos, eliminados com as fezes, são dotados de grande resistência e se desenvolvem no solo até o estágio da larva rabditoide que fica alojada no in- teiror na casca. A infestação ocorre quando o hospedeiro ingere ovos embrionados por meio de frutas e verduras contaminadas. No duodeno, a casca é digerida, libertan- do a larva que atravessa as paredes do intestino delgado e atinge as veias. A larva, transportada pela circulação venosa, atinge a metade direita do coração, sendo levada aos pulmõespela pequena circulação. ciclo RepRodutivo do a. lumbRicoides Por meio da árvore respiratória, a larva atinge os brônquios e a traqueia e chega à epiglote, passando para o esôfago, o estômago e voltando ao intestino, onde se transforma em adulto. Em relação à patogenia, deve-se considerar as pertur- bações provocadas pelas larvas e pelos adultos. As migrações das larvas através dos pulmões determinam lesões hemor- rágicas e processos inflamatórios. Os adultos, localizados no intestino, produzem cólicas abdominais, náuseas e irritação no sistema nervoso. Quando ocorrem em grande número, chegam a provocar a oclusão intestinal. A profilaxia consiste principalmente no saneamento básico (rede de esgoto, água tratada, etc.) e na educação sanitária, com o uso de instala- ções sanitárias, lavagem cuidadosa das mãos e alimentos, etc. 4. Enterobiose ou oxiurose Ingestão de ovos com embrião pela pessoaI 2 3 Larvas eclodem no intestino delgado 4 Adultos no lúmen do coco. 1 prenhas migram para a região perianal à noi- te, botando os ovos 5 I Estágio de Infecção D Estágio de Diagnóstico D Ovos nas pregas perianais Larvas nos ovos maturam em 4 a 6 horas. ciclo RepRodutivo do e. veRmiculaRis fonte: cdc - centeRs foR disease contRol and pRevention A enterobiose, oxiurose ou oxiuríase é uma doença intes- tinal causada pelo nematelminte Enterobius vermicularis, um verme pequeno e filiforme (formato de fio). O macho mede de 3 a 5 mm de comprimento, com a extremidade posterior recurvada e dotada de uma espícula copuladora. A fêmea, com 8 a 12 mm, possui cauda longa, reta e afila- da. A infestação ocorre pela ingestão dos ovos. Os vermes 63 VO LU M E 2 C IÊ N CI AS D A N AT UR EZ A e su as te cn ol og ia s VIVENCIANDO fixados no intestino produzem inflamação, náuseas e dores abdominais. O sintoma mais típico é o intenso prurido anal, principalmente quando o hospedeiro se deita e o calor da cama ativa os parasitas. A educação sanitária e o saneamento básico são as principais medidas preventivas. 5. Ancilostomose – o amarelão fonte: https://pt.slideshaRe.net/loRenasalesleite/oxiuRose A ancilostomose, também conhecida como amarelão ou opilação, é uma parasitose causada pelos vermes Ancylostoma duodenale e Necator americanus. Esses vermes apresentam nítido dimorfismo sexual. O corpo cilíndrico é afilado nas duas extremidades da fêmea e apenas na extremidade anterior do macho. Eles medem cerca de 1 cm de comprimento. Na cápsula bucal apresentam dentes, com os quais se fixam na parede intestinal do hospedeiro e perfuram vasos sanguíneos para sugar o sangue. Os ovos são eliminados nas fezes do hospedeiro e evoluem no solo, produzindo as larvas infestantes. A infestação pode ser ativa e passiva. Observe na figura a seguir a representação do ciclo da doença do amarelão: As larvas desenvolvem-se e é nesta fase que podem contaminar 3 4 As larvas penetram a pele Depois de penetrar a pele, as larvas chegam ao coração e pulmões através do sangue até se instalarem no intestino 5 As larvas tornam-se adultas no intestino e formam ovos 1 Os ovos do parasita são eliminados pelas fezes no solo 2 As larvas saem dos ovos e permanecem no solo ciclo RepRodutivo do a. duodenale. cdc - centeRs foR disease contRol and pRevention. As doenças causadas por vermes, como os nematelmintos, são um dos grandes problemas da saúde pública. A maioria das doenças causadas por esses vermes cilíndricos possui um ciclo oral-fecal; dessa forma, campanhas que envolvam higiene pessoal e cuidados com os alimentos são partes fundamentais nesses programas. Outro ponto importante nas campanhas contra as verminoses está relacionado aos programas de saneamento básico, como o tratamento de água e esgoto para populações carentes e comunidades rurais, pois são localidades em que a frequência dessas doenças é alta e onde, na maioria das vezes, não existem esses tipos de tratamento. 64 VO LU M E 2 C IÊ N CI AS D A N AT UR EZ A e su as te cn ol og ia s A primeira fase é cutânea. As larvas penetram ativamente através da pele, principalmente dos pés descalços, caem na circulação e atingem coração, pulmões, brônquios, traqueia, esôfago e intestino delgado, onde se transformam em adul- tos. Na penetração passiva, as larvas podem chegar, por meio de água ou alimentos contaminados, ao estômago e intesti- no, onde atingem a forma adulta. CONEXÃO ENTRE DISCIPLINAS Para auxiliar na compreensão do processo de respiração e difusão de nutrientes de alguns nematelmintos, são utilizados princípios químicos, como a difusão simples, que é “um tipo de transporte passivo (não há gasto de energia celular) de um soluto através da membrana, a fim de estabelecer a isotônica, ou seja, alcançarem a mesma concentração, pois o movimento é a favor de um gradiente de concentração”. Como esses vermes são desprovidos de sistemas respiratório e circulatório, a distribuição de gases e nutrientes ocorre célula a célula, por meio do processo de difusão simples descrito acima. A ancilostomose causa anemia intensa, variando a gravidade com o grau de infestação. Por esse motivo, o indivíduo para- sitado perde cor, tornando-se amarelado (daí o nome amare- lão) e fraco. A redução de hemácias afeta o transporte de oxi- gênio, afetando o coração e o cérebro, ocorrendo insuficiência cardíaca, sonolência, apatia e confusão mental. A prevenção envolve higiene, saneamento básico e uso de calçados. 6. Filaríase ou elefantíase O causador da elefantíase é o verme Wuchereria bancrofti, que possui corpo filiforme com 3 cm (macho) a 10 cm (fêmea) de comprimento. Os vermes adultos parasitam os gânglios e vasos linfáticos. As larvas vivem no sangue e somente à noite atin- gem os vasos periféricos, período que coincide com a atividade dos mosquitos transmissores. No Brasil, o principal transmissor é o mosquito Culex fatigans, vulgarmente conhecido como pernilongo. As larvas ingeridas pelo transmissor são depois ino- culadas em outro hospedeiro. A filariose causa edemas que provocam deformações, principalmente nos membros inferiores, como é possível observar na figura: Verme causador: Wuchereria bancrofti. Vive nos vasos linfáticos humanos A presença da filária nos vasos linfáticos obstrui a circulação da linfa e causa seu acúmulo em certos órgãos. A perna de um indivíduo infectado chega a ficar tão grossa quanto a de um elefante, daí o nome da doença. Também provoca hipertrofia dos testículos no homem e dos seios na mulher. A prevenção consiste no tratamento dos infec- tados e no extermínio do transmissor. 65 VO LU M E 2 C IÊ N CI AS D A N AT UR EZ A e su as te cn ol og ia s ciclo RepRodutivo do w. bancRofti cdc - centeRs foR disease contRol and pRevention 7. O bicho-geográfico Animais silvestres, como o cão e o gato, apresentam parasitas específicos, cujas larvas infestantes completam o ciclo apenas quando penetram no hospedeiro próprio. Eventualmente, essas larvas podem penetrar no homem, migrando e realizando um trajeto sinuoso no tecido subcutâneo, provocando uma dermatose conhecida como larva migrans ou bicho-geográfico. Os principais agentes etiológicos são o Ancylostoma caninum e o Ancylostoma braziliense, parasitas intestinais do cão e do gato. A parasitose é comum em praias frequentadas por cães que carregam os parasitas. Contato com pele lesadaLarva Migrans adulta no solo Ingestão por animais Larva Migrans Elim ina ção de ov os da larv a p ela s fe zes Larva Migrans reproduzindo no intestino 2 3 ciclo RepRodutivo do ancYlostoma sp. fonte: https://www.tuasaude.com/bicho-geogRafico/ Ancylostoma brasiliense Female Male 2mm 2mm exemplo de lesões causadas pelo bicho-geogRáfico fonte: Youtube Filariose 03 – entrevista multimídia: vídeo 66 VO LU M E 2 C IÊ N CI AS D A N AT UR EZ A e su as te cn ol og ia s ÁREAS DE CONHECIMENTO DO ENEM HABILIDADE28 Associar características adaptativas dos organismos com seu modo de vida ou com seus limites de distri- buição em diferentes ambientes, em especial, em ambientes brasileiros. Doenças causadas por vermes nematelmintos são negligenciadas, pois, em geral, são endêmicas em regiões mais carentes e com falta de saneamento básico. Conhecer como esses vermes se reproduzem, isto é, conhecer o seu ci- clo de vida e tentar impedir de alguma maneira sua reprodução é a maneira mais eficiente de evitar essas doenças. Esse conhecimento é importante para a resolução da questão. MODELO 1 (Enem) Lagoa Azul está doente Os vereadores da pequena cidade de Lagoa Azul estavam discutindo a situação da saúde no município. A situ- ação era mais grave com relação a três doenças: doença de Chagas, esquistossomose e ascaridíase (lombriga). Na tentativa de prevenir novos casos, foram apresentadas várias propostas: § Proposta 1: Promover uma campanha de vacinação. § Proposta 2: Promover uma campanha de educação da população com relação a noções básicas de higie- ne, incluindo fervura de água. § Proposta 3: Construir rede de saneamento básico. § Proposta 4: Melhorar as condições de edificação das moradias e estimular o uso de telas nas portas e janelas e mosquiteiros de filó. § Proposta 5: Realizar campanha de esclarecimento sobre os perigos de banhos nas lagoas. § Proposta 6: Aconselhar o uso controlado de inseticidas. § Proposta 7: Drenar e aterrar as lagoas do município. Para o combate da ascaridíase, a proposta que trará maior benefício social, se implementada pela prefeitura, será: a) 1. b) 3. c) 4. d) 5. e) 6. ANÁLISE EXPOSITIVA A ascaridíase é causada pelo verme nematelminto Ascaris lumbricoides, com o qual as pessoas se infectam devido à presença de ovos em alimentos contaminados ou na água contaminada. Isso se deve ao fato de que, em regiões muito carentes, não há rede de tratamento de esgoto. Em consequência disso, ocorre a contaminação da água e dos alimentos. Assim, entre as propostas apresentadas, a construção de uma rede de saneamento básico seria ideal para combater a ascaridíase. RESPOSTA Alternativa B 67 VO LU M E 2 C IÊ N CI AS D A N AT UR EZ A e su as te cn ol og ia s DIAGRAMA DE IDEIAS NEMATELMINTOS CILÍNDRICOS NÃO SEGMENTADOS SISTEMA DIGESTIVO COMPLETO EXCREÇÃO POR CÉLULAS EM H SISTEMAS CIRCULATÓRIO E RESPIRATÓRIO AUSENTES DIOICOS COM DIMORFISMO SEXUAL DOENÇAS CAUSADAS POR NEMATELMINTOS ANCILOSTOMOSE ASCARIDÍASE CARACTERÍSTICAS • ANCILOSTOMA DUODENALE • NERCATOR AMERICANUS • ASCARIS LUMBRICOIDES OVOS LARVAS PENETRAM PELO PÉ CORAÇÃO E PULMÕES INTESTINO INTESTINO DEGLUTIÇÃO INGESTÃO DE OVOS LARVA ROMPE O INTESTINO CIRCULAÇÃO INTESTINO ELEFANTÍASE BICHO GEOGRÁFICO OXIUROSE • WUCHERERIA BANCROFTI • PICADA DO MOSQUITO CULEX SP • ANCYLOSTOMA CANINUM • PARASITAS DE CÃES E GATOS • ENTEROBIUS VERMICULARIS ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ANOTAÇÕES 68 VO LU M E 2 C IÊ N CI AS D A N AT UR EZ A e su as te cn ol og ia s CITOLOGIA BIOLOGIABIOLOGIA CIÊNCIAS DA NATUREZA e suas tecnologias TEORiA DEDE AULAAULA 2 70 VO LU M E 2 C IÊ N CI AS D A N AT UR EZ A e su as te cn ol og ia s INCIDÊNCIA DO TEMA NAS PRINCIPAIS PROVAS UFMG Processos relacionados com síntese protei ca (transcrição e tradução), metabolismo energético (respiração celular e fotossín tese) e biotecnologia são assuntos com presença garantida. A citologia é foco de boa parte das ques tões dessa prova. Questões relacionadas com a identificação e o funcionamento de organelas e divisões celulares estão sempre presentes. Prova com caráter muito interdisciplinar, com questões que abrangem principal mente processos bioquímicos e funções de organelas. Função e reconhecimento de organelas são essenciais nessa prova. Prova que frequentemente apresenta ques tões relacionadas com metabolismo ener gético (respiração celular e fotossíntese) e bioquímica básica. Divisões celulares, funções e identificação de organelas e metabolismo energético (respiração celular e fotossíntese) são te mas bastante presentes. Nessa prova, as questões costumam abor dar diferentes áreas da Biologia; dessa maneira, é importante saber relacionar o funcionamento e a diferenciação das cé lulas com o tecido que elas compõem e o meio em que vivem. Vestibular que envolve, em todos os anos, assuntos como divisões celulares, metabo lismo energético (respiração celular e fotos síntese) e funções das organelas. A citologia é um dos assuntos mais pre sentes nas provas da Santa Casa, com questões sobre funções das organelas, transporte através de membrana, divisões celulares e metabolismo energético. Prova com questões com alto grau de espe cificidade envolvendo principalmente sínte se proteica e o dogma central da Biologia, além de transporte através de membrana e divisões celulares. Questões com alto nível de especificida de relacionadas a funções de organelas, divisões celulares e transporte através da membrana. Principal área cobrada em Biologia nessa prova. Muitas questões abordam divisões celulares e síntese proteica (transcrição e tradução), além de propriedades e trans porte através da membrana. Nessa prova, a citologia é um dos temas mais recorrentes, sendo que os assuntos principais são bioquímica, síntese proteica, divisões celulares e identificação e função das organelas. Prova com alto grau de especificidade nas questões. Em citologia, os assuntos mais cobrados são metabolismo energético (res piração celular e fotossíntese) e análise das organelas (funções e identificação). Um dos principais focos dessa prova, a citologia é abordada principalmente por questões que tratam do metabolismo ener gético (respiração celular e fotossíntese) e das divisões celulares (propriedades e comparações). 71 VO LU M E 2 C IÊ N CI AS D A N AT UR EZ A e su as te cn ol og ia s 1. Introduçãoà citologia As células são unidades estruturais e funcionais dos or ganismos vivos, isto é, todos os seres vivos são formados por células – compartimentos envolvidos por membrana e preenchidos por uma solução aquosa concentrada de subs tâncias químicas. As formas mais simples de vida são células individualizadas que se multiplicam por divisão bi nária ou cissiparidade, chamadas de organismos unicelulares. Contudo, existem também muitos organismos formados através de conjuntos de células interdependentes, que são classificados como organismos pluricelulares. A maioria dos organismos pluricelulares apresenta, de modo geral, ti pos diferentes de células que variam em tamanho, forma e funções. Conjuntos de células semelhantes adaptadas a uma determinada função formam estruturas chamadas de teci- dos. Diferentes tecidos que executam uma mesma função básica do organismo formam os órgãos, que, integrada mente, compõem os sistemas ou aparelhos do organismo, que executam sua função essencial para a manutenção da vida do organismo. Por fim, um conjunto organizado de sis temas forma um organismo ou um indivíduo. 1.1. A importância da citologia A importância da citologia reside no fato de que o conhe cimento sobre a célula constitui a base para o estudo de outras disciplinas. Os fenômenos fisiológicos essenciais dos organismos vivos ocorrem no âmbito celular, ou seja, as necessidades básicas de um organismo representam as mesmas de suas células. Nesse sentido, o estudo que pro cura relacionar e integrar a morfologia à fisiologia se torna mais interessante. Por exemplo, o estudo do núcleo celular e dos cromossomos que se localizam ali elucida muito so bre o papel dessa organela e dos próprios cromossomos na coordenação da atividade celular e na transmissão dos elementos hereditários, assim como estudos sobre mito côndrias celulares são essenciais para compreender os pro cessos metabólicos dos organismos. 1.2. O descobrimento da célula As células são pequenas e com plexas, o que torna difícil observar suas estruturas, descobrir sua composição mole cular e, mais difícil ainda, encontrar funções para seus vá rios componentes. Uma célula animal típica tem um diâ metro de 10 a 20 micrômetros, o que é aproximadamente 5 vezes menor do que a menor partícula visível a olho nu. A invenção do microscópio permitiu a descoberta da cé lula por Hans e Zacharias Janssen (1590). Em 1665, Ro bert Hooke apresentou os resultados de suas pesquisas sobre a estrutura da cortiça, observada ao microscópio em finos cortes. O material se apresentava formado por pequenos compartimentos hexagonais, delimitados por paredes es pessas. Cada compartimento foi chamado de célula (pe quena cavidade). Porém, somente quando microscópios ópticos de boa qua lidade tornaramse disponíveis, no início do século XIX, pô dese descobrir mais sobre as células, sobretudo sobre as células animais, que são, de modo geral, menores que as células vegetais. A observação e aprofundamentos do estudo da célula, impulsionados principalmente pelos cientistas alemães Schleiden e Schwann, em 1838, marcam o nascimento for mal da biologia celular. As células animais não são apenas minúsculas, mas também incolores e translúcidas; assim, para visualizálas foi funda mental o desenvolvimento de técnicas de microscopia que permitissem a visualização de suas estruturas internas. INTRODUÇÃO À CITOLOGIA COMPETÊNCIA(s) 4 HABILIDADE(s) 14 CN AULAS 9 E 10 72 VO LU M E 2 C IÊ N CI AS D A N AT UR EZ A e su as te cn ol og ia s 1.3. A análise da célula Por apresentarem dimensões tão reduzidas (a maioria das células eucariontes mede 10 mm), as células não podem ser vistas a olho nu. Para que as céulas possam ser estu dadas, o aparelho habitualmente usado é o microscópio óptico comum ou microscópio composto, que costuma dar aumentos de até 2 mil vezes. No óptico, as células podem ser observadas vivas (“a fresco”) ou mortas (“fixadas”) pelo álcool ou formol. É comum o uso de corantes para realçar as estruturas celulares. Alguns corantes podem ser usados em células vivas (corantes vitais), mas, geralmente, são aplica dos depois da morte (fixação) da célula. Os órgãos, por sua vez, são observados na maioria das vezes em finos cortes feitos com um aparelho chamado micrótomo. O microscópio eletrônico, atualmente mais utilizado nos estudos citológicos, dá aumentos da ordem de até 250 mil vezes. A estrutura da célula observada com muito mais detalhes no microscópio eletrônico é denominada ultra- estrutura celular. 1.4. Unidades de medida Para exprimir dimensões celulares, são usadas habitual mente três unidades: micrômetro, nanômetro e angströn. Observe o quadro a seguir: Unidade Símbolo Valor Uso em citologia milímetro mm 0,001 m Domínio macroscópico (vista desarmada). Células grandes. micrômetro mm 0,001 mm Microscopia óptica. Maioria das células e organelas maiores. nanômetro nm 0,001 mm Microscopia eletrônica. Organelas menores, as maiores macromoléculas. angströn Å 0,1 nm Microscopia eletrônica. Moléculas e átomos. 1.5. Teoria celular Uma das mais importantes generalizações da Biologia é a teoria celular, que pressupõe as seguintes premissas: § Todos os organismos vivos são formados por cé- lulas. Essa generalização se estende desde os organis mos mais simples, como bactérias e amebas, até os mais complexos, como um homem ou uma árvore. A única exceção são os vírus, como comentaremos adiante. § Todas as reações metabólicas de um organismo ocorrem no nível celular. Em qualquer organismo, as reações vitais, isto é, as metabólicas, sempre aconte cem no interior das células. § As células originam-se unicamente de células preexistentes. Não existe geração espontânea de cé lulas. Por meio de processos de divisão celular, as células mães produzem célulasfilhas, provocando a reprodu ção e o crescimento dos organismos. § As células possuem material genético. As células têm DNA (ácido desoxirribonucleico), por meio do qual características específicas são transmitidas da célula mãe para a célulafilha. 1.6. Os vírus Os vírus são seres muito simples e pequenos, e ainda há discussão entre os cientistas se eles são considerados seres vivos ou não, uma vez que não apresentam os componen tes celulares básicos de todos os seres vivos. Os vírus são formados basicamente por uma cápsula proteica envolven do seu material genético, que, dependendo do tipo de ví rus, pode ser o DNA ou RNA. Alguns vírus também podem apresentar um envelope lipoproteico externo. Os vírus não apresentam ribossomos, consequentemente, não sintetizam proteínas e não são capazes de se reproduzir por conta própria. Sendo assim, os vírus precisam infectar uma célula (chamada de hospedeira) para então usar a ma quinaria de produção de proteínas dessa célula para produ zir cópias de suas proteínas virais e de seu material genético. Existem diversos vírus circulando na natureza, capazes de infectar diversos tipos celulares, como bactérias, células ve getais e células animais, porém, cada tipo de vírus costuma ser bem específico com relação ao tipo de célula que infec ta, ou seja: um vírus que infecta bactérias provavelmente não infecta nenhum outro tipo celular; ou ainda, um vírus que infecta uma espécie de animais dificilmente infecta ou tras muito diferentes. Porém, os vírus podem também sofrem mutações em seu material genético, formando variações virais ou até mesmo originando novos vírus, que podem ser capazes de infectar diferentes hospedeiros. 2. Origem das células A questão da origem das células está diretamente relacio nada à origem da vida em nosso planeta. Isso deve ter ocorrido há 3,5 bilhões de anos, no começo do período Précambriano. Nesse período, a atmosfera provavelmen te continha vapor de água, amônia, metano, hidrogênio, sulfeto de hidrogênio e gás carbônico. O oxigênio livre só surgiu mais tarde, graças à atividade fotossintéticadas cé lulas autotróficas. Antes de surgir a primeira célula, teriam existido grandes massas líquidas, ricas em substâncias de 73 VO LU M E 2 C IÊ N CI AS D A N AT UR EZ A e su as te cn ol og ia s composição muito simples. Essas substâncias, sob a ação do calor e da radiação ultravioleta vinda do Sol e de des cargas elétricas oriundas de tempestades frequentes, com binaramse quimicamente para constituírem os primeiros compostos contendo carbono. Substâncias relativamente complexas teriam aparecido graças às diferentes combina ções das substâncias mais simples. Em 1953, o cientista norteamericano Stanley Miller realizou experimentos fun damentais que corroboraram essa possibilidade. Produzin do descargas elétricas em um recipiente fechado, contendo vapor de água, hidrogênio, metano e amônia, ele descobriu que se formavam aminoácidos, como alanina, glicina, áci dos aspárticos e glutâmicos. Estudos posteriores, simulando as condições prébióticas, permitiram a produção de 17 aminoácidos (dos 20 que podem compor as proteínas). Também foram produzidos açúcares, ácidos graxos e as bases nitrogenadas que for mam parte do DNA e RNA. Essa etapa de evolução quí mica foi provavelmente precedida de outra na qual se for maram as proteínas pela polimerização dos aminoácidos. Essa etapa posterior provavelmente ocorreu em meios aquosos, onde as moléculas orgânicas se concentravam para formar uma espécie de “sopa primordial”, na qual foram favorecidas as interações e onde se formaram com plexos maiores denominados coacervados ou proteinoi des, com uma membrana externa envolvendo um fluido no interior (micelas). Mais tarde, originouse o código genético, provavelmente surgindo primeiro o RNA e, em seguida, o DNA e as diversas moléculas que participaram da síntese de proteínas e da replicação, produzindo célu las capazes de se autorreplicarem. A hipótese mais provável é que, sem oxigênio na atmos fera, os primeiros procariontes tenham sido anaeróbicos (não dependem de oxigênio para seu metabolismo) e he- terotrófico (dependem de matéria orgânica externa para obterem energia). Posteriormente, surgiram os seres auto- tróficos (capazes de produzir sua própria matéria orgâni ca necessária para obterem energia), como as algas azuis, que contêm pigmentos fotossintéticos. Até este momento, todos os seres vivos também eram pro- cariontes, ou seja, tinham seu material genético disperso por toda a célula. Porém, com a fotossíntese realizada pelos seres autotró ficos, quantidades muito grandes de gás oxigênio foram liberadas na atmosfera, permitindo o surgimento de orga nismos aeróbicos (que necessitam de gás oxigênio para suas reações metabólicas) a partir dos quais originaramse os seres eucariontes (que apresentam seu material genéti co em uma região específica das células, o núcleo, delimi tado por uma membrana celular). 2.1. Surgimento das células eucariotas Até o momento, estamos falando de organismos unicelu lares e procariotos, muito simples e que habitavam prin cipalmente o ambiente terrestre. Porém, com o passar do tempo, as células dos seres vivos aumentaram de comple xidade. É bastante provável que as organelas membrano sas, como o retículo endoplasmático, o aparelho de Golgi e até a própria membrana nuclear, que envolve o material genético das células, tenham se formado a partir de invagi nações da membrana plasmática, formando as primeiras células eucariotas. Por sua vez, as organelas com DNA próprio (mitocôndrias, cloroplastos) provavelmente surgiram como uma simbiose entre procariontes, como foi teorizado em 1981 pela bióloga Lynn Margulis, em seu livro chamado Symbiosis in Cell Evoly tion (Simbiose e evolução das células, em tradução livre). Acreditase que um organismo eucarionte englobou uma partícula procarionte autotrófica. A partir disso, eles inicia ram uma relação de cooperação, e um organismo passou a viver no interior do outro (endossimbiose). Com o tempo, essa relação tornouse tão importante que os organismos não poderiam mais viver de forma isolada. Provavelmente o organismo procarionte autotrófico beneficiou a célula hos pedeira garantindo processos como a respiração celular, no caso da mitocôndria, e a fotossíntese, no caso dos cloroplas tos. Já a célula hospedeira garantia proteção e nutrientes às novas organelas celulares, formando assim as células euca riotas como conhecemos hoje – com núcleo individualizado e presença de mitocôndrias e cloroplastos. A teoria endos simbionte é baseada em cinco principais evidências: 1) A presença de uma dupla membrana envolvendo mito côndrias e cloroplastos. Essa dupla membrana, provavel mente, é resultado da membrana que já pertencia ao or ganismo procarionte, somada à membrana do organismo eucarionte que realizou o processo de englobamento. 2) Mitocôndrias e cloroplastos apresentam tamanhos se melhantes aos das bactérias. 3) Cloroplastos e mitocôndrias possuem DNA próprio, in dependente do DNA celular, e esse material genético é cir cular, assemelhandose às moléculas de DNA encontradas em bactérias. 4) Possuem capacidade de autoduplicação independente da divisão celular. 5) Tanto mitocôndrias quanto cloroplastos apresentam ri bossomos próprios e sintetizam algumas de suas proteínas. Também vale destacar que a população de seres eucario tos primitivos primeiramente englobou os seres procariotos que originaram as mitocôndrias, já que essa organela está presente em todos os eucariotos atuais (animais, plantas, 74 VO LU M E 2 C IÊ N CI AS D A N AT UR EZ A e su as te cn ol og ia s algas, fungos e protozoários). Como os cloroplastos só estão presentes atualmente nas plantas e algas, provavelmente a população de eucariotos primitivos que deu origem a esses grupos englobou os seres precursores dos cloroplastos depois de já terem englobado os precursores das mitocôndrias, como no esquema a seguir: Procarionte ancestral heterotrófico aeróbio Mitocôndria Célula hospedeira ancestral Estabelecimento de relações de simbiose Os cloroplastos evoluíram depois das mitocôndrias, por relações de endossimbiose com procariontes autotróficas Procarionte ancestral fotossintético Cloroplasto Mitocôndria Mitocôndria 3. Organização celular de seres procariontes e eucariontes A microscopia eletrônica demonstrou que existem duas classes de células: as procarióticas, cujo material genético não está separado do citoplasma por uma membrana, e as eucarióticas, que possuem um núcleo bem individualizado e delimitado pelo envoltório nuclear. Embora a complexidade nuclear seja utilizada para dar nome às duas classes de células, há outras diferenças importantes entre procariontes e eucariontes. Do ponto de vista evolutivo, os procariontes são considerados ancestrais dos eucariontes. Os procariontes surgiram há cerca de 3 bilhões de anos, enquanto os eucariontes surgiram há 1 bilhão de anos. Apesar das diferenças entre as células eucarióticas e procarióticas, há semelhanças importantes em sua organização molecular e em sua função. Por exemplo, todos os organismos vivos utilizam o mesmo código genético e uma maquinaria similar para a síntese de proteínas. As células procarióticas, porém, não apresentam organelas membranosas como retículo endoplasmático ou complexo de golgi e também não apresentam uma membrana separando seu material genético do citoplasma. Os seres vivos procariontes atuais são as bactérias e as cianobactérias. Embora possuam uma estrutura relativamente simples, as células procarióticas são bioquimicamente versáteis e diver sas: por exemplo, todas as principais reações metabólicas são encontradas em bactérias, incluindo os três processos para obtenção de energia: glicólise, respiração e fotossíntese. A bactéria Escherichia coli é a célula procariótica mais bem estudada. Dada a sua simplicidade estrutural, rapidez de multi plicação e não patogenicidade, a E. coli se revelou excelente para osestudos de biologia molecular. As células eucarióticas, por definição, e em contraste com as células procarióticas, têm um núcleo (caryon, em grego) que contém a maioria do DNA celular envolvido por uma dupla camada lipídica. O DNA é assim mantido num compartimento separado dos outros componentes celulares que se situam num citoplasma, em que a maioria das reações metabólicas ocorrem. No citoplasma das células eucariotas ficam as organelas, que são estruturas celulares que desempenham funções específicas do metabolismo celular, como mitocôndrias, cloroplastos, retículo endoplasmático, entre outras que estudaremos mais adiante. COMPARAÇÃO ENTRE PROCARIONTES E EUCARIONTES procariontes eucariontes Organismo bactéria e cianobactéria protozoários, algas, fungos, plantas e animais Tamanho da célula geralmente de 1 a 10 micrômetros geralmente de 5 a 100 micrômetros Metabolismo aeróbico ou anaeróbico aeróbico e anaeróbico Organelas ribossomos núcleo, mitocôndrias, cloroplastos (apenas nos fotossintetizantes), retículo endoplasmático, complexo de Golgi, lisossomos, ribossomos, centríolos DNA DNA circular no hialoplasma longas moléculas de DNA contendo muitas regiões não codificantes: envolvidas por uma membrana nuclear RNA e proteína sintetizados no mesmo compartimento: hialoplasma RNA sintetizado e processado no núcleo, proteínas sintetizadas no citoplasma 75 VO LU M E 2 C IÊ N CI AS D A N AT UR EZ A e su as te cn ol og ia s COMPARAÇÃO ENTRE PROCARIONTES E EUCARIONTES procariontes eucariontes Citoplasma ausência de citoesqueleto, fluxo citoplasmático, ausência de endocitose e exocitose citoesqueleto composto de filamentos de proteínas, fluxo citoplasmático, presença de endocitose e exocitose Divisão celular cromossomos se separam ligados ao mesossomo cromossomos se separam pela ação do fuso do citoesqueleto Organização celular maioria unicelular maioria multicelular, com diferenciação de muitos tipos celulares Tempo de existência cerca de 3 bilhões de anos cerca de 1 bilhão de anos 3.1. Estruturas básicas das células Observe na ilustração a seguir três componentes fundamen tais de uma célula: membrana plasmática, citoplasma e núcleo. plasmática célula animal célula bacteRiana Parede celular Membrana celular Aparelho de Golgi Cloroplasto Membrana vacúolo Mitocôndria Citoplasma Ribossomo Núcleolo Núcleo Retículo endoplasmático Amiloplasto Célula vegetal célula vegetal 3.1.1. A célula procariótica As células procarióticas possuem estrutura celular muito simples. Possuem membrana plasmática, e o material ge nético (cromatina) aparece disperso no hialoplasma, onde a única organela é o ribossomo. Observe que não existe membrana envolvendo o material genético nem delimitan do o núcleo. Esse tipo de célula caracteriza os seres proca riontes, representados pelos integrantes do Reino Monera, isto é, as bactérias e cianobactérias. 3.1.2. As células eucariotas O constituinte celular mais volumoso da célula é o citoplas ma. Ele é formado pelo citosol e pelas organelas celulares. O citosol, também chamado de hialoplasma, é um líquido transparente homogêneo e sem estrutura no qual estão mergulhados as organelas celulares. Dentre os organoides celulares, é possível citar: retículo endoplasmático (uma rede de vesículas e canais que se intercomunicam e que auxilia na distribuição e no ar mazenamento de substâncias celulares); ribossomos (pequenos grânulos nos quais ocorre a síntese de proteí nas); mitocôndrias (corpúsculos esféricos ou alongados relacionados à respiração celular, processo que fornece a energia necessária às atividades celulares); lisossomos (pequenas “bolsas” contendo enzimas digestivas); com- plexo de Golgi (pilha de vesículas circulares e achatadas, das quais as secreções são liberadas para fora da célula); e centríolos (dois cilindros perpendiculares entre si relacio nados à divisão celular e à formação de cílios e flagelos). Geralmente situado na parte central da célula eucariótica, o núcleo apresenta uma membrana, a carioteca, que envolve o carioplasma, líquido (cariolinfa ou nucleoplasma) no qual estão imersos o nucléolo e os cromossomos (onde encon tramse os genes, elementos responsáveis pela coordenação das diversas atividades celulares, constituídos por DNA). 3.2. Estrutura e função da membrana plasmática As membranas celulares possibilitam que as células criem barreiras para confinar moléculas particulares em compar timentos específicos. Essas membranas são formadas por uma dupla camada contínua (bicamada) de moléculas de lipídios na qual as proteínas estão embebidas. A bicamada lipídica fornece a estrutura básica e a função de barreira 76 VO LU M E 2 C IÊ N CI AS D A N AT UR EZ A e su as te cn ol og ia s de todas as membranas celulares. As moléculas de lipídios da membrana possuem tanto regiões hidrofóbicas quanto hidrofílicas. Elas se arranjam espontaneamente em bicama das quando colocadas em água, formando compartimentos fechados que se resselam quando rompidos. Há três classes principais de moléculas lipídicas da mem brana: fosfolipídios, esterois e glicolipídios. A bicamada lipí dica é fluida, e moléculas lipídicas individuais são capazes de difundirse dentro de sua própria monocamada; contu do, elas não saltam espontaneamente de uma monoca mada para a outra. As duas camadas da bicamada lipídica têm diferentes composições de lipídios, refletindo as fun ções diferentes das duas faces de uma membrana celular. As células ajustam a fluidez de suas membranas de acordo com as modificações da composição lipídica dessas mem branas. A bicamada lipídica é impermeável a todos os íons e moléculas polares grandes, mas é perme- ável a moléculas apolares pequenas, como o oxigê- nio e o dióxido de carbono, e a moléculas polares muito pequenas, como a água. As proteínas da membrana são responsáveis pela maioria das funções, como o transporte de pequenas moléculas hidrossolúveis pela bicamada lipídica. As proteínas trans membranas se estendem através da bicamada lipídica, enquanto outras proteínas não se estendem através dela, mas se ligam a um dos lados da membrana, seja por asso ciação não covalente com outras proteínas da membrana, seja por ligação covalente a lipídios. Muitas proteínas e parte dos lipídios expostos na superfície das células estão ligados a cadeias de açúcares (glicocálix) que auxiliam a proteger e a lubrificar a superfície celular e estão envolvi das no reconhecimento célulacélula. A membrana plasmática mantém o conteúdo interno ou ci toplasmático separado, porém não isolado do meio externo, uma vez que ela possui permeabilidade seletiva quanto ao que entra e sai da célula. As membranas celulares são muito delgadas. A membrana plasmática mede cerca de 75 Å de espessura e não é visível ao microscópio óptico comum. Na figura, é possível observar o modelo estrutural mais acei to atualmente, que foi proposto pelos cientistas Singer e Ni cholson, em 1972. As proteínas apresentam uma mobilidade especial, podendo deslocarse lateralmente ou atravessar a bicamada lipídica, projetandose nas superfícies interna ou externa da membrana plasmática. Dessa forma, concluise que a membrana é relativamente fluida, pois as moléculas de proteínas apresentam certa li berdade de movimentação. Por essa razão, o modelo de Singer e Nicholson é denominado mosaico fluido. Esse modelo explica as capacidades e funções membrano sas, especialmente a sua permeabilidade seletiva. Os lipíde os, principalmente os fosfolipídios, correspondem a cerca de 25% a 40% das estruturas das membranas celulares, e as proteínas correspondem a cerca de 60% a 75% do total. Em quantidades bem inferiores é possível encontrar: antíge nos, enzimas, glicídios e outras moléculas permanentes ou transitórias. Por esse motivo, as membranas celulares são denominadas lipoproteicas, pois representam uma associação entre lipídios e proteínas. Glícido Glícoproteína Glícolípido Meio extracelular Filamentos do citosqueleto Colesterol Proteína integrada Proteína periférica Citoplasma aRRanJo da membRana plasmática segundo o modelo do mosaico fluido. 3.2.1. Especializações da membrana As especializações da membrana são regiões diferencia das, constituindo adaptações que executam várias funções, como absorção, transporte, aderência e reconhecimento. As principais são: microvilosidades, invaginações de base, desmossomos, junções e glicocálix. § Microvilosidades – são expansões cilíndricas da membrana que aparecem na superfície livre da célula, ampliando a superfície de contato e a capacidade de ab sorção. Localizadas, por exemplo, no epitélio intestinal, as microvilosidades aumentam a eficiência na absorção do alimento digerido. § Invaginações de base – a regulação da quantidade de água existente no organismo é uma das funções dos rins. Cada rim é formado por cerca de 1 milhão de estruturas idênticas denominadas néfrons ou canais re nais. As células desses canais renais possuem, na base, profundas invaginações relacionadas com o transporte de água reabsorvida pelos rins. As mitocôndrias são abundantes entre as invaginações. § Especializações de contato – os epitélios são teci dos formados por células justapostas, entre as quais se encontra uma substância intercelular que atua como um cimento ligando as células. Além da substância citada, a adesão entre as células é mantida por especializações, como os desmossomos, as interdigitações e as junções. § Desmossomos – são espécies de “botões adesivos” que aparecem nas membranas adjacentes de células vizinhas. 77 VO LU M E 2 C IÊ N CI AS D A N AT UR EZ A e su as te cn ol og ia s § Interdigitações – são dobras da membrana que se encaixam e aumentam a adesão intercelular. § Junções estreitas ou oclusivas – encontradas em células do epitélio intestinal, são regiões diferenciadas que vedam o espaço intercelular, impedindo a passa gem de líquidos entre as células, fator que regula o controle de absorção para cada célula. § Junções comunicantes ou nexos – diferentemen te das anteriores, permitem a passagem de íons e pequenas moléculas, associando metabolicamente as células vizinhas. § Glicocálix – nas células animais, a membrana plas mática é frequentemente recoberta por uma delgada película de natureza glicoproteica denominada cutí cula ou glicocálix. Além de proteger a membrana, o glicocálix atua no reconhecimento celular por meio de um complexo código molecular. É através do glico cálix que ocorre a distinção das células de um mesmo organismo e a rejeição de células estranhas, como as de um enxerto. Microvilosidades Interdigitação Mitocôndria Núcleo Mitocôndria Núcleo Mitocôndria Invaginações As microvilosidades. Inaginações de base. Meio extracelular Desmossomo Interdigitação Espaço intercelular Desmossomo Interdigitações e desmossomos. Glicocálix Face externa da célula Lipídio Proteína Face interna da célula O glicocálix. Junção oclusiva Junção comunicante Os tipos de junções. 3.2.2. As funções da membrana plasmática § Manutenção da integridade celular – se a mem brana for lesionada, o citoplasma extravasa, e a célula se desintegra em um processo denominado citólise. En tretanto, pequenas lesões não afetam a estrutura celu lar, uma vez que a membrana apresenta a capacidade de regeneração sem destruir a célula. A regeneração possibilita os processos de micromanipulação, por meio dos quais a célula pode ser submetida, por exemplo, a transplantes de núcleo. § Reconhecimento intercelular – na superfície da célula existe um mecanismo de reconhecimento mole cular por meio do qual uma célula é capaz de distinguir células similares ou estranhas. Esse processo permite que as células se identifiquem e se unam, originando os tecidos; as células também podem se rejeitar, como acontece nos transplantes. § Permeabilidade seletiva – a célula precisa realizar uma série de trocas com o meio externo para sobreviver. Substâncias essenciais, como água, oxigênio e nutrien tes, devem entrar na célula, enquanto gás carbônico e substâncias tóxicas, resultantes da atividade celular, devem ser eliminados. Por meio da chamada permea bilidade seletiva, a membrana regula a entrada e saída de substâncias, permitindo à célula manter uma compo sição química equilibrada e diferente do meio externo. 3.3. Parede celular A parede celular é uma estrutura rígida localizada externa mente à membrana plasmática. Por esse motivo, as células que possuem parede celular têm menos possibilidade de modificar sua forma. A parede celular é uma estrutura pre sente em bactérias, fungos e em vegetais Nas bactérias, a parede celular é composta basicamente de proteoglicanos (carboidratos ligados à proteínas). No fungos, é formada por um carboidrato chamado quitina. Nas plantas, a pare de celular é composta por outro carboidrato, a celulose, por isso também é denominada membrana celulósica. Na célula vegetal jovem, a parede celular (primária) é fina e pouco rígida, o que lhe permite crescer. Depois de crescida a célula, a parede celular pode apresentar espessamentos, re sultado de novos depósitos interiores de celulose. Essa nova parede recebe o nome de parede celular secundária. A parede secundária é a principal responsável pela grande resistência da parede celular. Em alguns casos, há também depósitos de lignina e de suberina (outros tipos de carboi dratos) na parede celular, substâncias que lhe conferem ainda mais resistência. É característica das células vegetais a presença de pontos de contato entre células vizinhas, am biente em que não há deposição de parede celular. Nesses pontos de contato, formamse canais citoplasmáticos de nominados plasmodesmos, que conectam o citoplasma das células vizinhas. Eles são delimitados pela membrana plasmática comum a essas células. Entre as paredes celulares de células adjacentes há uma fina camada formada principalmente por pectina (um po lissacarídeo) que une uma célula a outra. Essa camada é a lamela média, interrompida nos plasmodesmos. citoplasma Vacúolo lamela mediana parede primária parede secundária parede secundária lamela mediana composta lamela mediana composta paredes celulares plasmodesmo 1 mm membrana plásmatica 78 VO LU M E 2 C IÊ N CI AS D A N AT UR EZ A e su as te cn ol og ia s 3.4. A permeabilidade seletiva e os transportes de membrana A bicamada lipídica das membranas celulares é bastante im permeável à maioria das moléculas hidrossolúveis e a todos os íons. A passagem de nutrientes, metabólitos e íons através da membrana plasmática e membranas celulares internas é realizada por proteínas transportadoras de membrana. As membranas celulares contêm uma grande variedade de pro teínas transportadoras, cada uma das quais é responsável pelo transporte de um tipo particular de soluto. Existem duas classes de proteínas transportadoras de mem brana – proteínas carreadoras e proteínas de canal. O gra diente eletroquímico representa a força impulsora resultante que atua sobre um íon devido ao seu gradiente de concen tração e ao campo elétrico. No transporte passivo, um so luto sem carga se move espontaneamente a favor de seu gradiente de concentração, e um soluto carregado (um íon) se move espontaneamente a favor de seu gradiente eletro químico. No transporte ativo, um soluto sem carga, ou um íon, é transportado contra o seu gradiente de concentração ou eletroquímico, em um processo que necessita de energia. As proteínas carreadoras ligam solutos específicos (íons inorgânicos, pequenas moléculas orgânicas ou ambos) e os transferem através da bicamada lipídica por sofrerem mudanças conformacionais que expõem o sítio ligante de soluto, primeiro em um lado da membrana e depois no outro. As proteínas carreadoras podem atuar comobom bas para transportar um soluto contra o seu gradiente ele troquímico, utilizando energia fornecida pela hidrólise de ATP, por um fluxo “para baixo” de Na+ ou de íons H+, ou pela luz. A bomba de Na+ / K+ da membrana plasmática de células animais é uma ATPase que transporta ativamente Na+ para fora da célula e K+ para dentro, mantendo o forte gradiente de Na+ através da membrana, que é usado para impulsionar outros processos de transporte ativo e para transmitir sinais elétricos. As proteínascanal formam poros aquosos de um lado para o outro da bicamada lipídica, pelos quais solutos podem di fundirse. Enquanto o transporte por proteínas carreadoras pode ser ativo ou passivo, o transporte por proteínascanal é sempre passivo. A maioria das proteínascanal é um ca nal iônico do tipo seletivo que permite que íons inorgânicos de tamanhos e cargas apropriados cruzem a membrana a favor de seus gradientes eletroquímicos. O transporte pelos canais iônicos é, no mínimo, mil vezes mais rápido do que o transporte por qualquer proteína carreadora conhecida. A maioria dos canais iônicos possui portões e se abre tran sitoriamente em resposta a um estímulo específico, como uma mudança no potencial de membrana (canais com por tões controlados por voltagem) ou a ligação de um ligante (canais com portões controlados por ligantes). Observe a seguir uma ilustração das proteínascanal. Mesmo quando abertos por seu estímulo específico, os canais iônicos não permanecem abertos continuamente: eles oscilam aleatoriamente entre as conformações aberta e fechada. Um estímulo ativador aumenta a proporção do tempo que o canal gasta no estado aberto. O potencial de membrana é determinado pela distribuição desigual de cargas elétricas nos dois lados da membrana plasmática e é alterado quando íons fluem através de canais abertos. Os componentes hidrofóbicos, solúveis nos lipídios, atra vessam facilmente a membrana, uma vez que ela é for mada por uma bicamada lipídica. Esse é o caso dos áci dos graxos, dos hormônios esteroides e dos anestésicos. As substâncias hidrófilas, insolúveis nos lipídios, penetram nas células com mais dificuldade, fator influenciado pelo tamanho da molécula e por suas características químicas. A configuração molecular poderá permitir que a substância seja transportada por meio de um dos mecanismos espe ciais desenvolvidos durante a evolução, como o transporte ativo e a difusão facilitada. 3.4.1. Transporte de substâncias através da membrana celular passagem de substâncias atRavés de pRoteínas de canal de um lado a outRo da membRana plasmática. § Difusão passiva – muitas substâncias penetram nas células ou delas saem por difusão passiva, ou seja, como a distribuição do soluto tende a ser uniforme em todos os pontos do solvente, o soluto penetra na célula quando sua concentração é menor no interior celular do que no meio externo, e sai da célula no caso contrá rio. Nesse processo não há consumo de energia. § Difusão facilitada – algumas substâncias, como a glicose, a galactose e alguns aminoácidos possuem tamanho superior a 8 angströns, o que impede a sua passagem através dos poros. Essas substâncias não são solúveis em lipídios, o que também impede a sua difu são pela matriz lipídica da membrana. Entretanto, essas substâncias passam através da matriz, por transporte 79 VO LU M E 2 C IÊ N CI AS D A N AT UR EZ A e su as te cn ol og ia s passivo, contando, para isso, com o trabalho de proteí nas carreadoras ou permeases (proteínas transportado ras). Por exemplo, a combinação entre a glicose e a pro teína carreadora forma uma combinação lipossolúvel que passa a se difundir de um lado para outro da mem brana. Do outro lado da membrana, a glicose separase do carreador e passa para o interior da célula, enquanto o carreador retorna ao meio externo para buscar mais moléculas de glicose. § Transporte ativo – nesse caso, ocorre gasto de ener gia (ATP), e a substância pode ser transportada de um local de baixa concentração para outro de alta concen tração, isto é, o soluto pode ser transportado contra um gradiente. O transporte ativo é bloqueado pelos inibidores da respiração (dinitrofenol, cianetos e azida) e pelos inibidores da síntese de ATP (iodoacetato). O esquema a seguir apresenta um processo passivo e a favor do gradiente de concentração, representado por A, e um processo ativo e contrário ao gradiente de con centração, representado por B. Substância em solução Substância em solução A B ATP ADP Membrana Plasmática tRanspoRte ativo de substâncias, com gasto de atp § Bomba de sódio e potássio – é comum serem ob servadas diferenças de concentrações iônicas entre os meios intra e extracelular. Para exemplificar, serão utili zados a célula nervosa (neurônio) e o glóbulo vermelho do sangue (hemácia). Ao serem comparadas as con centrações de íons de potássio (K+) e de sódio (Na+), verificase que a concentração de K+ é maior dentro do neurônio, enquanto a concentração de Na+ é maior no líquido que o envolve. A hemácia possui no citoplasma concentração de K+ vinte vezes maior do que o plas ma, que, por sua vez, apresenta concentração de Na+ vinte vezes maior do que a hemácia. Nos dois casos, é evidente que essas concentrações não se igualam, apesar de a membrana apresentar permeabilidade passiva aos dois íons. Para manter a diferença iônica, a célula continuamente absorve K+ e elimina Na+ através da bomba de Na+ e K+. Uma proteína conhecida como bomba Na+/K+ ATPase funciona transportando K+ para o interior e Na+ para o exterior da célula. Os íons Na+ intracelulares se ligam à ATPase que, transformando ATP em ADP, obtém energia necessária a sua mudança de conformação, expelindoos para o meio extracelular. Os íons K+, por mecanismo idêntico, são transferidos para o citoplasma. Observe a seguir o esquema da bomba de Na+ e K+: funcionamento da bomba na+ / K+ atpase 3.4.2. Osmose – a difusão da água § Osmose – é um fenômeno de difusão em presença de uma membrana semipermeável. Nesse processo, duas soluções de concentrações diferentes estão separadas por uma membrana que é permeável ao solvente e pra ticamente impermeável ao soluto. Ocorre, então, a pas sagem do solvente de onde ele está em maior quanti dade (solução hipotônica) para onde está em menor quantidade (solução hipertônica). Com essa passagem, verificase um aumento da quantidade de água na so lução hipertônica, fazendo com que haja maior diluição da solução e, consequentemente, diminuição da sua concentração. É possível dizer que é a osmose que pos sibilita isotonia entre uma solução hipertônica e uma hipotônica, com passagem de solvente através de uma membrana semipermeável. Isso pode, inclusive, ser fatal para a célula, como no caso das hemácias, que, em presença de soluções pouco concentradas, sofrem hemólise. Observe, na figura a seguir, que as hemácias (A) em solução hipertônica (situação 1) perderão água e murcharão (crenação), já em solução hipotô nica (si tuação 2) ganham água por osmose, podendo sofrer rup tura da membrana (lise celular). Resultados da imeRsão de hemácias em solução hipotônica (2) e solução hipeRtônica (1). A presença da parede celular nas células vegetais torna peculiar esse fenômeno, em que a célula vegetal, mesmo em meios muito pouco concentrados em relação aos seus vacúolos, não explode. 80 VO LU M E 2 C IÊ N CI AS D A N AT UR EZ A e su as te cn ol og ia s Tonoplasto Parede celular Plasmalema CitoplasmaNúcleo Estrutura da célula vegetal Núcleo Vacúolo Célula túrgida VacúoloNúcleo Célula murcha Suco vacuolar I II III Tonoplasto Parede celular Plasmalema CitoplasmaNúcleo Estrutura da célula vegetal Núcleo Vacúolo Célula túrgida VacúoloNúcleo Célula murcha Suco vacuolar I II III Tonoplasto Parede celular Plasmalema CitoplasmaNúcleo Estrutura da célula vegetal Núcleo Vacúolo Célula túrgida VacúoloNúcleoCélula murcha Suco vacuolar I II III a célula vegetal em difeRentes momentos. Geralmente, a concentração do suco vacuolar é maior do que a solução do solo; isso quer dizer que a pressão de difusão da água dentro da célula é menor que a pressão da difusão no meio externo. Consequentemente, a tendên cia de a água penetrar na célula é menor que a de sair. Essa tendência será maior quanto maior for a concentra ção da solução do suco vacuolar. Ou seja, quanto maior a pressão osmótica do suco vacuolar, maior a tendência de penetração da água. Existe, portanto, uma força no interior da célula com tendência para retirar a água do ambiente. Essa força é denominada pressão osmótica do suco vacuo lar, que será representada por PO ou Si (sucção interna da célula). A água penetra no vacúolo da célula e começa a distendêlo. Em consequência, surge uma pressão (pressão de turgescência) sobre a membrana celulósica. Como a membrana é dotada de elasticidade, ela vai se dis tendendo, originando uma força contrária à distensão, ten dendo a voltar à sua posição inicial. Essa força é chamada de pressão de turgescência (turgor) e representada por PT ou M (resistência da membrana). A penetração de água no interior da célula vegetal vai de pender dessas forças. a. pressão osmótica do suco vacuolar (PO) – favorá vel à entrada de água; b. pressão de turgescência (PT) – contrária à entrada de água. Assim, é possível dizer que a entrada de água nas célu las vegetais depende de seu deficit de pressão de difusão (DPD ou Sc). A fórmula a seguir permite calcular a sucção celular (Sc ou DPD) da célula. A tendência de a água entrar na célula vegetal depende de uma pressão favorável (PO) e de outra contrária (PT). DPD = PO - PT ou Sc = Si - M A célula estará saturada (túrgida) com água quando: PT = PO Si = M DPD = 0 Sc = 0 Assim, a célula estará murcha (flácida) quando: PT = 0 M = 0 DPD = PO Sc = SI DPD = PO - PT ou Sc = Si - M A célula estará saturada (túrgida) com água quando: PT = PO Si = M DPD = 0 Sc = 0 Núcleo PT DPD PO A tendência de a água entrar na célula vegetal depende de uma pressão favorável (PO) e outra contrária (PT). A membrana reage contra a distensão (M) A água penetra na célula por causa da pressão osmótica do suco vacuolar (PO) H2O Núcleo A água que penetrou na célula pressiona a membrana celulósica (PT) Esquema mostrando o movimento osmótico na célula vegetal. Assim, a célula estará murcha (�ácida) quando: PT = 0 M = 0 DPD = PO Sc = SI a tendência de a água entRaR na célula vegetal depende de uma pRessão favoRável (po) e de outRa contRáRia (pt) DPD = PO - PT ou Sc = Si - M A célula estará saturada (túrgida) com água quando: PT = PO Si = M DPD = 0 Sc = 0 Núcleo PT DPD PO A tendência de a água entrar na célula vegetal depende de uma pressão favorável (PO) e outra contrária (PT). A membrana reage contra a distensão (M) A água penetra na célula por causa da pressão osmótica do suco vacuolar (PO) H2O Núcleo A água que penetrou na célula pressiona a membrana celulósica (PT) Esquema mostrando o movimento osmótico na célula vegetal. Assim, a célula estará murcha (�ácida) quando: PT = 0 M = 0 DPD = PO Sc = SI esquema mostRando o movimento osmótico na célula vegetal § Plasmólise – caso a célula seja mergulhada em uma solução de concentração superior à do vacúolo, ou seja, dentro de uma solução hipertônica em relação ao DPD da célula, ela perderá água contraindose até ficar frou xa. O vacúolo segue perdendo água, e o citoplasma vai se afastando da parede celular. O espaço existente entre o citoplasma e a parede fica cheio com a solução exter na, uma vez que a membrana celulósica é permeável. Às 81 VO LU M E 2 C IÊ N CI AS D A N AT UR EZ A e su as te cn ol og ia s vezes, o afastamento do citoplasma da parede celulósica não é total, ficando o citoplasma ligado à parede por meio de finos ligamentos de Hecht. Nessa situação, DPD = PO e PT = 0. A plasmólise não provoca a morte da célula vegetal. Caso a célula seja mergulhada em água ou solução hipotônica, ela voltará a absorver água até voltar ao estado inicial. Esse fenômeno é denominado desplasmólise. Observe a seguir ilustrações sobre a plas mólise e desplasmólise da célula vegetal. Em seguida, o diagrama de Höfler, que mostra as variações de volume de uma célula vegetal colocada em diferentes meios. Em 1, a célula está murcha e, em 3, está túrgida. diagRama RepResentativo das vaRiações de volume celulaR em decoRRência das alteRações osmóticas do meio 3.4.3. Transporte em quantidade § Transporte em quantidade – o transporte em quan tidade para dentro da célula, também chamado de endocitose, é realizado por dois processos denomina dos fagocitose e pinocitose. Quando a transferência de macromoléculas ocorre em sentido inverso, ou seja, do citoplasma para o meio extracelular, o processo recebe o nome genérico de exocitose. RepResentação de endocitose RepResentação de exocitose § Fagocitose – é o nome dado ao processo pelo qual a célula, graças à formação de pseudópodos, absorve, no seu citoplasma, partículas sólidas. A fagocitose é um pro cesso seletivo, conforme pode ser observado no exemplo da fagocitose de paramécios pelas amebas. Nos mamífe ros, a fagocitose é realizada por células especializadas na defesa do organismo, como os macrófagos, e por células endoteliais dos capilares sanguíneos. § Pinocitose – é o nome dado ao processo pelo qual a célula, graças a delgadas expansões do citoplasma, engloba gotículas de líquido. Assim, formamse va cúolos contendo líquido que se aprofundam no cito plasma tornandose cada vez menores, o que sugere uma transferência de líquido para o hialoplasma. No processo da pinocitose, formamse longas projeções laminares da superfície celular, visíveis ao microscópio óptico, que dão origem a vesículas também grandes no processo denominado macropinocitose. Observe a seguir que os vacúolos originados pela fagocitose (II) e pinocitose (I) são fundidos a lisossomos produzidos pelo complexo de Golgi. Retículo endoplasmático granular Complexo de Golgi Lisossomo vacúolo autofágico corpo residual vacúolo digestivo fagossomo II I III o papel do complexo de golgi nos difeRentes tipos de digestão intRacelulaR fonte: Youtube Animação Célula 3D multimídia: vídeo 82 VO LU M E 2 C IÊ N CI AS D A N AT UR EZ A e su as te cn ol og ia s CONEXÃO ENTRE DISCIPLINAS VIVENCIANDO Dado que a citologia é o estudo da célula individualizada, é possível utilizar esse ramo das Ciências Biológicas para estudar as estruturas celulares e como elas interagem umas com as outras. Esse conhecimento serve para mapear as funções das células de cada tecido do corpo humano e distinguir, por exemplo, microrganismos que podem ser patógenos ou até mesmo células do próprio organismos que foram modificadas devido às mutações. A detecção de células anormais e de doenças, como câncer e/ou anomalias no prénatal, são alguns exemplos disso. Uma aplicação corriqueira da citologia é o exame do Papanicolau, que consiste na coleta de células do colo do útero e da vagina para análise no microscópio. Esse exame previne doenças como câncer, infecções vaginais, HPV, tricomoníase, candidíase, gonorreia, sífilis, entre outras. No estudo das plantas, para compreender como um vegetal retira água do solo, é necessário o uso de termos físicos, como pressão osmótica. A pressão osmótica é a força com que a água se move através das membranas celulares. Outro exemplo é a pressão de turgescência, que é a resistência da membrana celulósica à entrada de água na célula. A diferença entre a pressão osmótica e a pressão de turgescência resulta no deficit de pressão, que mostra o sentido do movimento da água nas raízes das plantas. DPD = PO – PT, onde: DPD= deficit de pressão PO = pressão osmótica PT = pressão de turgor 83 VO LU M E 2 C IÊ N CI AS D A N AT UR EZ A e su as te cn ol og ia s ÁREAS DE CONHECIMENTO DO ENEM HABILIDADE 14 Identificar padrões em fenômenos e processos vitais dos organismos, como manutenção do equilíbrio interno, defesa, relações com o ambiente, sexualidade, entre outros. A absorção de nutrientes através do intestino é um processo essencial para a manutenção do equilíbrio interno dos organismos. Associar as funções e os tipos de especializações de membranas celulares com os esquemas apresentados facilitará a resolução da questão. MODELO 1 (Enem) Para explicar a absorção de nutrientes, bem como a função das microvilosidades das membranas das células que revestem as paredes internas do intestino delgado, um estudante realizou o seguinte experimento: Colocou 200 ml de água em dois recipientes. No primeiro recipiente, mergulhou, por 5 segundos, um pedaço de papel liso, como na FIGURA 1; no segundo recipiente, fez o mesmo com um pedaço de papel com dobras simulando as microvilosidades, conforme FIGURA 2. Os dados obtidos foram: a quantidade de água absorvida pelo papel liso foi de 8 ml, enquanto pelo papel dobrado foi de 12 ml. figuRa 1 figuRa 2 Com base nos dados obtidos, inferese que a função das microvilosidades intestinais com relação à absorção de nutrientes pelas células das paredes internas do intestino é a de a) manter o volume de absorção; b) aumentar a superfície de absorção; c) diminuir a velocidade de absorção; d) aumentar o tempo da absorção; e) manter a seletividade na absorção. ANÁLISE EXPOSITIVA Nesse exercício é essencial reconhecer a importância das microvilosidades, que são especializações da mem brana plasmática encontradas principalmente nas células do intestino delgado. Essas especializações têm como função promover uma área maior de absorção de nutrientes, fenômeno que ocorre em grande quan tidade no intestino. No esquema apresentado com figuras, representando os papéis, é possível observar que, ao esticar totalmente o papel da figura 2, a sua área será maior do que o papel representado na figura 1. RESPOSTA Alternativa B 84 VO LU M E 2 C IÊ N CI AS D A N AT UR EZ A e su as te cn ol og ia s DIAGRAMA DE IDEIAS CITOLOGIA NÚCLEO ORGANIZADO ATIVO OSMOSEEM QUANTIDADE CÉLULA ORIGEM • ENDOSSIMBIOSE • INVAGINAÇÃO DA MEMBRANA PROCARIONTE • RIBOSSOMOS • DNA CIRCULAR • UNICELULAR MEMBRANA PLASMÁTICA TRANSPORTE PAREDE CELULAR • FUNGOS QUITINA • VEGETAIS CELULOSE • BACTÉRIAS PROTEOGLICANOS ORGANELAS CITOPLASMÁTICAS • LISOSSOMOS • MITOCÔNDRIAS • RETÍCULO ENDOPLASMÁ TICO (LISO E RUGOSO) • COMPLEXO DE GOLGI • PEROXISSOMO • CLOROPLASTO EVACÚOLO (CELULA VEGETAL) ESPECIALIZAÇÕES • MICROVILOSIDADES • INVAGINAÇÕES DE BASE DE CONTATO • DESMOSSOMOS • INTERDIGITAÇÕES • JUNÇÕES CELULARES PASSIVO DIFUSÃO • SIMPLES • FACILITADA EUCARIONTE TEORIA CELULAR • TODO SER VIVO É FORMADO POR CÉLULAS • TODA REAÇÃO METABÓLICA OCORRE EM NÍVEL CELULAR • TODA CÉLULA SE ORIGINA DE OUTRA PREEXISTENTE • TODA CÉLULA POSSUI DNA 85 VO LU M E 2 C IÊ N CI AS D A N AT UR EZ A e su as te cn ol og ia s 1. Organelas citoplasmáticas O citoplasma é o constituinte celular mais abundante. Ele é composto pelo citosol e pelos organoides. O citosol, tam bém chamado de hialoplasma, citoplasma fundamental ou matriz citoplasmática, é uma solução aquosa que constitui o meio interno da célula. Imersos no citosol, aparecem os organoides ou organelas, os elementos responsáveis pelas atividades celulares. 1.1. Ribossomos Os ribossomos são as organelas que sintetizam as proteínas. Eles se apresentam sob a forma de partículas globulares com 15 a 20 nm de diâmetro. Estão presentes em todos os seres celulares. Os ribossomos não são limitados por membranas e ocorrem tanto em procariontes quanto em eucariontes. Nos eucariontes, é comum que os ribossomos estejam associa dos às membranas de partes do retículo endoplasmático. https://www.blogs.unicamp.br/cienciapelosolhosde las/2016/07/22/nobeladayonathdesvendandoos ribossomos/ multimídia: site Os ribossomos de eucariontes são ligeiramente maiores que os de procariontes. Estruturalmente, o ribossomo é formado por uma subunidade pequena e outra maior. Bio quimicamente, ribossomo consiste em moléculas de RNA ribossômico (RNAr) associadas à cerca de 50 nucleoproteí nas estruturais. Essa estrutura foi determinada pela cientis ta Ada E. Yonath, que ganhou o prêmio Nobel de Química em 2009 por essa descoberta. O RNAr é sintetizado no núcleo, a partir de genes específicos. Esses genes estão em constante transcrição (fabricação de RNA) e a região do núcleo onde eles se localizam pode ser observada através de microscópios de luz como uma man cha mais clara; essa região é chamada de nucléolo. Observe a ilustração a seguir: Retículo endoplasmático rugoso Ribossomo livres Ribossomo subunidade pequena subunidade grande Retículo endoplasmático rugoso Ribossomos livres Ribossomo. 0,5 µm RepResentação esquemática do Ribossomo, com subunidades (à esqueRda) e sua disposição no Retículo endoplasmático Rugoso (à diReita). fonte: https://pt.slideshaRe.net/cleunii/Ribossomos Os ribossomos e a síntese proteica A síntese proteica é o processo pelo qual os ribosso- mos produzem proteínas usando como matéria-prima os aminoácidos. As proteínas diferem entre si pelo nú- mero, tipo e sequência de aminoácidos. A informação genética para o encadeamento dos aminoácidos está contida no DNA intranuclear, e os ribossomos, agentes do processo, estão presentes no citoplasma. A trans- missão da receita, do DNA para os ribossomos, ocorre através de outra macromolécula, o RNA mensageiro. A função do ribossomo é ler a mensagem contida no RNA mensageiro e, por meio de suas informações, adicionar aminoácidos e sintetizar proteínas. 1.2. Retículo endoplasmático O retículo endoplasmático é formado por uma rede de es truturas tubulares e vesiculares achatadas, sendo que os túbulos e as vesículas são interconectados uns aos outros. CITOPLASMA COMPETÊNCIA(s) 4 HABILIDADE(s) 13 e 14 CN AULAS 11 E 12 86 VO LU M E 2 C IÊ N CI AS D A N AT UR EZ A e su as te cn ol og ia s Podese distinguir dois tipos de retículo endoplasmático: o retículo endoplasmático rugoso (RER) ou granular e o retículo endoplasmáticos liso (REL) ou agranular. O RER também é chamado de ergastoplasma e é formado por sacos achatados, cujas membranas têm aspecto rugoso devido à presença de grânulos (ribossomos) aderidos à sua superfície externa, voltada para o citosol. O REL é formado por estruturas membranosas tubulares, sem ribossomos aderidos e de superfície lisa. 1.2.1. Funções do retículo endoplasmático § Produção de lipídios – a lecitina e o colesterol são exemplos de componentes lipídicos que existem em to das as membranas celulares e são produzidos no REL. Outros tipos de lipídios produzidos são os hormônios esteroides, dentre os quais estão a testosterona e o estrógeno (hormônios sexuais gerados nas células das gônadas de animais vertebrados). § Desintoxicação – o REL participa dos processos de desintoxicação do organismo. As substâncias tóxicas são absorvidas nas células do fígado e, posteriormente, são modificadas ou destruídas, de modo a não causarem da nos ao organismo. A atuação do retículo das células he páticas permite eliminar parte do álcool, medicamentos e outras substâncias potencialmente nocivas. § Armazenamento de substâncias – os vacúolos das células vegetais são exemplos de bolsas membranosas derivadas do REL, que crescem devido ao acúmulo de soluções aquosas ali armazenadas. § Produção de proteínas – as proteínas fabricadas no RER (devido à presença dos ribossomos) penetram nas bolsas e se deslocam em direção ao complexo de Golgi,passando pelos estreitos e tortuosos canais do REL. Observe a seguir um detalhe das cisternas (bolsas membranosas) do retículo. Ribossomos Membranas o Retículo endoplasmático com suas cisteRnas 1.3. Complexo de Golgi O complexo de Golgi está presente em praticamente todas as células eucariontes e geralmente é formado por quatro ou mais camadas empilhadas de delgadas vesículas acha tadas, que se situam próximas ao núcleo. 1.3.1. Funções do complexo de Golgi § Secreção de enzimas digestivas – as enzimas di gestivas do pâncreas são exemplo de enzimas produ zidas no RER e levadas até o complexo de Golgi, onde são empacotadas em pequenas bolsas, que se des prendem dos dictiossomos e se acumulam em um dos polos da célula pancreática. A produção de enzimas digestivas pelo pâncreas é apenas um entre muitos exemplos da função do complexo de Golgi nos proces sos de secreção celular. § Formação do acrossomo do espermatozoide – o acrossomo é uma bolsa de enzimas digestivas do es permatozoide maduro que perfurarão as membranas do óvulo permitindo a fecundação. esquema de foRmação do acRossomo fonte: https://Renathalicebioifes.woRdpRess.com/categoRY/citologia/ § Síntese de glicoproteínas – No sistema golgiense, os monossacarídeos são transformados em polissaca rídeos e, em seguida, associados às proteínas sinteti zadas pelos ribossomos, originando as glicoproteínas conhecidas como muco ou mucopolissacarídeos, que aparecem revestindo, por exemplo, internamente o tubo digestório. § Síntese de glicolipídios – o sistema golgiense atua na síntese de lipídios, como é o caso dos glicolipídios do glicocálix. 87 VO LU M E 2 C IÊ N CI AS D A N AT UR EZ A e su as te cn ol og ia s § Formação da lamela média em células vegetais – o complexo de Golgi participa ativamente da formação da lamela média, a primeira membrana que separa duas células recémoriginadas na divisão celular. Grandes ve sículas derivadas do complexo de Golgi acumulam pecti na, que é eliminada entre as célulasirmãs recémforma das, constituindo, assim, a primeira separação entre elas e, mais tarde, a lâmina que as mantém unidas. esquema de foRmação da lamela média em células vegetais § Formação de lisossomos – os lisossomos são bolsas circundadas por uma membrana de bicamada lipídica e preenchidas por um grande número de pequenos grânu los, que são agregados proteicos de enzimas hidrolíticas (digestivas) capazes de digerir diversas substâncias or gânicas. Eles se originam no complexo de Golgi e estão presentes em praticamente todas as células eucariontes. 1.4. Lisossomo Os lisossomos são pequenas vesículas que transportam en zimas responsáveis pela digestão celular. § Tipos de lisossomo 1. Lisossomo primário: é o lisossomo propriamente dito, isto é, a vesícula que possui em seu interior as en zimas digestivas. 2. Lisossomo secundário ou vacúolo digestivo: re sulta da fusão do lisossomo primário com a partícula englobada, que pode estar dentro de um fagossomo ou pinossomo. 3. Corpúsculo residual: é formado quando a vesícula lisossômica, por exocitose, elimina na periferia celular o material não assimilado. 4. Vacúolo autofágico: é formado quando a vesícula lisossômica digere uma partícula pertencente à própria célula. A autofagia é uma atividade indispensável à sobrevivência da célula. Assim, a digestão intracelular pode ser classificada em: Autofagia – quando os lisossomos digerem uma par tícula pertencente à própria célula; e Heterofagia – quando a partícula digerida pelos lisos somos é proveniente do meio extracelular. mecanismos envolvidos na digestão intRacelulaR. o complexo de golgi foRmando vesículas de secReção e lisossomos 88 VO LU M E 2 C IÊ N CI AS D A N AT UR EZ A e su as te cn ol og ia s fonte: Youtube Organelas celulares multimídia: vídeo Doenças lisossômicas As doenças lisossômicas estão associadas a anomalias relacionadas à membrana ou ao conteúdo enzimático dos lisossomos. Como exemplo é possível citar as pneu- moconioses e a doença de Pompe. As primeiras são co- muns em indivíduos que trabalham em minas, sendo caracterizadas por lesões pulmonares causadoras de dispneias, isto é, dificuldades respiratórias. Quando os mineiros inalam partículas de silício, berilo, estanho e zinco, elas são fagocitadas por células conhecidas como macrófagos. Os lisossomos primários se unem aos va- cúolos digestórios, originando os lisossomos secundá- rios, cujas paredes se rompem por ação das partículas fagocitadas. Os macrófagos morrem e liberam suas en- zimas, que causam as lesões pulmonares. Na doença de Pompe, ocorre acúmulo de glicogênio nos lisossomos, que aumentam de volume. A doença se caracteriza, desde o nascimento do indivíduo, por uma dispneia associada a problemas cardíacos. A morte acontece ao final do primeiro ano de vida. 1.5. Vacúolos Um vacúolo é qualquer porção no citoplasma delimitado por uma membrana lipoproteica. As variedades mais comuns são: vacúolos relacionados com a digestão intracelular, va cúolos contráteis (ou pulsáteis) e vacúolos vegetais. Também podem existir estruturas no citoplasma chamadas de inclu sões, que são derivadas dos vacúolos e acumulam amido ou lipídios. O conjunto de inclusões se denomina paraplasma. Os vacúolos das células vegetais são tidos como regiões expandidas do retículo endoplasmático. Quando se trata de células vegetais jovens, são pequenos e isolados um do outro. À medida que a célula se desenvolve, esses pe quenos vacúolos se fundem, formando um único, grande e central vacúolo (observe a figura a seguir). A expansão do vacúolo, quando armazena alguma substância, leva o res tante do citoplasma a ficar comprimido e restrito à porção periférica da célula. Sua função também é a de regular as trocas de água na osmose. foRmação de vacúolo na célula vegetal adulta http://www.estudopRatico.com.bR/vacuolos-tipos- e-funcoes-desta-oRganela-celulaR/ Em protozoários de água doce, há vacúolos pulsáteis, tam bém denominados contráteis, cujo papel é de regulação osmótica. A integridade celular corre riscos em razão do absorção constante de água do meio para o interior da célula. Removêla continuamente mantém equilibrada a concentração dos líquidos celulares e evita riscos de rompi mento da célula, trabalho esse que consome energia. paRamécio, pRotozoáRio de água doce, com seu vacúolo contRátil. 1.6. Peroxissomos Os peroxissomos são, em termos físicos, semelhantes aos lisossomos, mas diferem em dois aspectos importantes: pri meiro, acreditase que sejam formados por autorreplicação (ou talvez por brotamento do REL) e não pelo complexo de 89 VO LU M E 2 C IÊ N CI AS D A N AT UR EZ A e su as te cn ol og ia s Golgi; segundo, contêm oxidases e não hidrolases. Além de conterem enzimas que degradam gorduras e aminoácidos, possuem também grande quantidade da enzima catalase, que converte o peróxido de hidrogênio (água oxigenada) em água e gás oxigênio. Os peroxissomos estão presentes em grande quantidade nas células de defesa, como os macrófagos, e também existem nas células vegetais, em que participam do processo da fotorrespiração. A função dos peroxissomos no metabolismo celular ainda é pouco conhecida, mas acredita se que participem dos processos de desintoxicação da célula. 1.7. Mitocôndrias As mitocôndrias são formadas por duas bicamadas lipídi cas: uma membrana externa e uma membrana interna. En quanto a membrana externa é mais permeável e contínua, a membrana interna é bastante impermeável e possui inú meras pregas chamadas cristas mitocondriais, nas quais se fixam enzimas oxi dativas fundamentais para o processo de respiração celular. A cavidade interna das mitocôndrias é preenchida por um fluido denominado matriz mitocondrial, que contém grande quantidade de enzimas dissolvidas, ne cessárias para a extração de energia dos nutrientes. A composição química das mitocôndrias é riquíssima,no tandose principalmente a presença de DNA, RNA, proteí nas, carboidratos, enzimas, ATP, adenosina difosfato (ADP), etc. No interior das mitocôndrias, ocorre a respiração ce lular, que é o processo em que moléculas orgânicas de alimento reagem com gás oxigênio, transformandose em gás carbônico e água e liberando energia na forma de ATP, como podemos ver na equação simplificada abaixo. Essa energia é essencial para todas as atividades celulares. Toda mitocôndria surge da reprodução de uma outra mito côndria, sendo que a divisão da mitocôndria é denominada condrocinese ou condrogênese. Observe a microfotografia de uma mitocôndria com as cristas bastante evidentes. Espaço entre as membranas externa e interna Membrana interna Membrana externa Matriz Cristas Ribossomo Sintetase do ATP DNA esquema RepResentativo da mitocôndRia É importante lembrar que as mitocôndrias são de origem materna, uma vez que, ao penetrar no óvulo, apenas o ma terial genético do espermatozoide é inserido. 1.8. Plastos Os plastos são orgânulos citoplasmáticos encontrados nas células de plantas e de algas. Eles são classificados em cromoplastos, que são plastos coloridos que armazenam pigmentos, e leucoplastos, que são plastos incolores que armazenam substâncias nutritivas, como os amiloplastos (amido), os oleoplastos (óleos) e os proteoplastos (proteí nas). Os plastos participam da fotossíntese (cromoplastos) e armazenam substâncias nutritivas (leucoplastos). plastos pigmentos cor cloroplastos clorofila verde xantoplastos xantofila amarelo eritroplastos eritrofila vermelho cianoplastos cianofila azul feoplastos feofila parda Os cloroplastos são orgânulos citoplasmáticos discoides que possuem duas membranas envolventes e diversas membranas internas que formam pequenas bolsas dis coidais e achatadas denominadas tilacoides. Os tilacoides se organizam uns sobre os outros e formam estruturas ci líndricas semelhantes a pilhas. Cada pilha é um granum, palavra do latim que significa “grão”. O espaço interno do cloroplasto é preenchido por um fluido viscoso chamado estroma, que corresponde à matriz das mitocôndrias e con tém DNA, enzimas e ribossomos. Observe a estrutura do cloroplasto na figura a seguir. disposição do cloRoplasto na célula vegetal e detalhes da sua estRutuRa. 1.9. Centríolos Os centríolos são estruturas citoplasmáticas que estão pre sentes na maioria dos organismos eucariontes, não ocor rendo nos vegetais superiores, nos fungos complexos e nos nematoides. O centríolo é um cilindro, cuja parede é for mada por nove conjuntos de três microtúbulos. Em geral, eles ocorrem aos pares nas células. Os centríolos são des- 90 VO LU M E 2 C IÊ N CI AS D A N AT UR EZ A e su as te cn ol og ia s providos de membrana e são constituídos por túbulos de natureza proteica (tubulina). Os centríolos dão origem a estruturas locomotoras denominadas cílios e flagelos, que diferem entre si quanto ao comprimento e número por cé lula. Os flagelos são longos, pouco numerosos e executam ondulações que se propagam da base em direção à extre midade livre. Além disso, os flagelos possuem um eixo de sustentação formado pelos centríolos chamado axonema, que é envolvido por uma membrana lipoproteica. Os cílios são curtos, muito numerosos e executam um movimento semelhante ao de um chicote, com a altíssima frequência de 10 a 40 batimentos por segundo. 1.9.1. Função dos centríolos § Orientar a divisão celular, pois originam uma estrutura denominada fuso mitótico, em que se prendem os cro mossomos. § Originar cílios e flagelos – locomoção da célula, mo vimentação de líquido extracelular e limpeza das vias respiratórias. Os flagelos trabalham como chicotes que puxam ou empurram o organismo pela água. Os cí lios trabalham como remos (o paramécio tem, em sua superfície exterior, 17 mil cílios que remam dandolhe movimento). A primeira figura abaixo mostra a ultraes trutura do centríolo, e a segunda figura apresenta a es trutura do axonema em um corte transversal da cauda do espermatozoide. Centríolos Movimentos por batimento dos cílios Deslocamento por batimento de �agelos Centríolos os centRíolos foRmadoRes de cílios e flagelos e os difeRentes tipos de movimentos Realizados poR essas estRutuRas. http://mundobiologico-geRal.blogspot.com.bR/p/citologia.html Bainha central Membrana Microtúbulos Filamento secundárioBraços Fibrilas centrais Membrana ciliar ou �agelar Membrana plasmática Placa basal Corpúsculo basal Bainha central Membrana Microtúbulos Filamento secundárioBraços Fibrilas centrais Membrana ciliar ou �agelar Membrana plasmática Placa basal Corpúsculo basal estRutuRa de cílios e flagelos. fonte: Youtube Citologia: Célula Animal e Celula Vegetal. multimídia: vídeo 1.10. Filamentos intermediários O citoplasma de uma célula eucariótica é sustentado e or ganizado por um citoesqueleto de filamentos intermediá rios, microtúbulos e filamentos de actina. Os filamentos in termediários são polímeros estáveis de proteínas fibrosas, em forma de corda, que conferem resistência mecânica às células. Alguns tipos revestem internamente a membrana nuclear formando a lâmina nuclear; outros estão distribu ídos por todo o citoplasma. Observe o esquema a seguir: Membrana Plasmática Retículo endoplasmático Ribossomos Micro�lamentos e �lamentos intermediários microtúbulo mitocôndria componentes do citoesqueleto demonstRando seu papel na sustentação da foRma celulaR http://www.estudopRatico.com.bR/citoesqueleto-funcao-e-componentes/ 91 VO LU M E 2 C IÊ N CI AS D A N AT UR EZ A e su as te cn ol og ia s VIVENCIANDO FILAMENTOS INTERMEDIÁRIOS 25 µm 25 µm MICROTÚBULOS 25 µm 25 µm FILAMENTOS DE ACTINA 25 µm 25 µm estRutuRa de componentes do citoesqueleto e sua disposição na célula. 1.11. Microtúbulos Os microtúbulos são tubos rígidos e ocos formados pela polimerização de subunidades diméricas da proteína tubu lina. São estruturas polarizadas com uma extremidade ne gativa (–), de crescimento mais lento, e uma extremidade positiva (+), de crescimento mais rápido. Os microtúbulos se concentram em centros organizadores, como o centros somo, a região organizadora de microtúbulos, onde estão localizados os centríolos, e crescem centrifugamente. As extremidades negativas permanecem imersas no centro organizador. Na célula, diversos microtúbulos se mantêm em um estado dinâmico lábil, no qual alternam entre um estado de crescimento e um de retração. Essas transições, conhecidas como instabilidade dinâmica, são controladas pela hidrólise da ATP ligada aos dímeros de tubulina. FILAMENTOS INTERMEDIÁRIOS 25 µm 25 µm MICROTÚBULOS 25 µm 25 µm FILAMENTOS DE ACTINA 25 µm 25 µm Cada dímero de tubulina possui uma molécula de ATP firmemente ligada, que é hidrolisada a ADP, depois que a tubulina se organiza em microtúbulo. A hidrólise da ATP reduz a afinidade da subunidade por sua vizinha e diminui a estabilidade do polímero, ocasionando sua desagrega ção. Os microtúbulos podem ser estabilizados por proteí nas que capturam a extremidade positiva, um processo que influencia a posição do feixe de microtúbulos dentro de uma célula. As células possuem muitas proteínas associa das a microtúbulos, que os estabilizam, ligandoos a outros componentes celulares e utilizandoos para funções espe cíficas. As quinesinas e as dineínas são proteínas motoras que usam a energia de hidrólise da ATP para se deslocar Com a compreensão do papel de cada organela dentro de uma unidade celular, tornouse possível elucidar a causa de algumas doenças que acometem os seres vivos, como os problemas com os lisossomos. O desenvolvimento da genética na prática médica tem provocado impacto na compreensão, no diagnóstico e mesmo no tratamento de diversas condições pediátricas nas últimas décadas. Tecnologias recentes têm sido dis ponibilizadas no campo terapêutico das doençaslisossômicas (DL), condições consideradas uma causa importante de doença pediátrica neurodegenerativa. Tratase de um modelo único para a condução de pesquisas que podem levar ao desenvolvimento e monitoramento de terapias restauradoras ou modificadoras do curso natural da doença. O termo “doenças lisossômicas” (DL) foi introduzido por Hers (1965) ao explicar a patogênese da doença de Pom pe, glicogenose tipo II, DL causada pela atividade deficiente da enzima α1,4glicosidase, localizada nos lisossomos. 92 VO LU M E 2 C IÊ N CI AS D A N AT UR EZ A e su as te cn ol og ia s CONEXÃO ENTRE DISCIPLINAS unidirecionalmente ao longo dos microtúbulos. Elas trans portam organelas membranosas e outras estruturas e, des sa maneira, mantêm a organização espacial do citoplasma. Os cílios e flagelos eucarióticos são formados por um feixe de microtúbulos estáveis. Seu batimento é consequência da flexão dos microtúbulos, comandada por uma proteína motora denominada dineína ciliar. Os filamentos de acti na são polímeros helicoidais de moléculas de actina. Eles são mais flexíveis dos que os microtúbulos e encontrados com frequência formando feixes ou redes associados com a membrana plasmática. 1.12. Filamentos de actina Os filamentos de actina são estruturas polarizadas, conten do uma extremidade de crescimento rápido e uma de cres cimento lento; sua montagem e desmontagem são contro ladas pela hidrólise da ATP que está firmemente ligada a cada um dos monômeros de actina. FILAMENTOS INTERMEDIÁRIOS 25 µm 25 µm MICROTÚBULOS 25 µm 25 µm FILAMENTOS DE ACTINA 25 µm 25 µm As diferentes formas e funções dos filamentos de actina nas células dependem de múltiplas proteínas ligadoras de actina. Essas proteínas controlam a polimerização dos fila mentos e as ligações cruzadas entre eles, formando redes frouxas ou feixes rígidos, ligamnos às membranas ou os deslocam uns em relação aos outros. As miosinas são proteínas motoras que usam a energia de hidrólise da ATP para se deslocar sobre os filamentos de ac tina; elas podem transportar organelas ao longo dos trilhos de filamentos ou permitir o deslizamento dos filamentos, uns sobre os outros, nos feixes contráteis. Uma rede de filamen tos de actina forma, sob a membrana plasmática, o córtex celular, que é responsável pela forma e pelo movimento da superfície celular, incluindo os movimentos envolvidos com o deslocamento de uma célula sobre uma superfície, como a diapedese e mesmo com a formação de pseudópodos. A contração muscular depende do deslizamento dos filamen tos de actina, comandado pelo movimento repetitivo das cabeças de miosina. A contração é iniciada pelo aumento súbito dos níveis de Ca2+ citosólico, o que libera, via prote ínas ligadoras de Ca2+, um sinal para o aparelho contrátil. http://www.sobiologia.com.br/conteudos/Citologia/ cito15.php multimídia: site A compreensão da atividade das organelas presentes no hialoplasma, como os peroxissomos, envolve princípios químicos, como oxidação, redução e radicais livres. A catalase, enzima presente nos peroxisso mos, decompõe o peróxido de hidrogénio (H2O2), de acordo com a reação química 2H2O2 → 2H2O + O2. O peróxido de hidrogênio é uma molécula oxidante (recebe elétrons durante uma reação química de outro composto); assim, ele é capaz de reagir com o DNA, o que pode produzir mutações no material genético. Dessa forma, o peroxissomo tem a função de destruir essas substâncias e proteger o DNA de possíveis danos. 93 VO LU M E 2 C IÊ N CI AS D A N AT UR EZ A e su as te cn ol og ia s ÁREAS DE CONHECIMENTO DO ENEM HABILIDADE 14 Identificar padrões em fenômenos e processos vitais dos organismos, como manutenção do equilíbrio interno, defesa, relações com o ambiente, sexualidade, entre outros. O tema das organelas celulares sempre aparece no Enem. É importante saber relacionar a organela à sua função correspondente para o funcionamento celular. MODELO 1 (Enem) As proteínas de uma célula eucariótica possuem peptídeos sinais, que são sequências de aminoácidos responsáveis pelo seu endereçamento para as diferentes organelas, de acordo com suas funções. Um pesqui sador desenvolveu uma nanopartícula capaz de carregar proteínas para dentro de tipos celulares específicos. Agora, ele quer saber se uma nanopartícula carregada com uma proteína bloqueadora do ciclo de Krebs in vitro é capaz de exercer sua atividade em uma célula cancerosa, podendo cortar o aporte energético e destruir essas células. Ao escolher essa proteína bloqueadora para carregar as nanopartículas, o pesquisador deve levar em conta um peptídeo sinal de endereçamento para qual organela? a) Núcleo. b) Mitocôndria. c) Peroxissomo. d) Complexo golgiense. e) Retículo endoplasmático. ANÁLISE EXPOSITIVA O ciclo de Krebs é uma das etapas da respiração celular. Esse processo tem como função produzir nas células energia na forma de ATP (adenosina trifosfato). A organela presente em células eucariontes, res ponsável por essa síntese de energia e onde ocorre o ciclo de Krebs, é a mitocôndria. RESPOSTA Alternativa B 94 VO LU M E 2 C IÊ N CI AS D A N AT UR EZ A e su as te cn ol og ia s DIAGRAMA DE IDEIAS ORGANELAS CITOPLASMÁTICAS DIGESTIVO RUGOSO VEGETAIS CLOROPLASTO • CÉLULA VEGETAL • FOTOSSÍNTESE MITOCÔNDRIA • SÍNTESE DE ENERGIA NA FORMA DE ATP • RESPIRAÇÃO AERÓBIA PEROXISSOMO • CONVERTER PERÓXIDO DE HIDROGÊNIO EM ÁGUA E OXIGÊNIO CENTRÍOLOCOMPLEXO DE GOLGI • DIVISÃO CELULAR • CÍLIOS E FLAGELOS • AUSENTE EM CÉLULAS VEGETAIS DIGESTÃO CELULAR LISOSSOMO • AUTOFAGIA • HETEROFAGIA • AUTÓLISE RIBOSSOMO • SÍNTESE PROTEICA PULSÁTIL VACÚOLO • PROTOZOÁRIOS DE ÁGUA DOCE • OSMORREGULAÇÃO FILAMENTOS IN TERMEDIÁRIOS MICROTÚBULOS: FILAMENTOS DE ACTINA: CITOESQUELETO • RESISTÊNCIA MECÂNICA • FORMADOS POR TUBULINA • FORMAM CÍLIOS E FLAGELOS • CONTRAÇÃO MUSCULAR • FORMAÇÃO DE PSEUDÓPODOS LISO RETÍCULO ENDOPLASMÁTICO • SÍNTESE E TRANSPORTE DE LIPÍDEOS • DESINTOXICAÇÃO DO ORGANISMO • CÉLULAS FAGOCITÁRIAS • SÍNTESE E TRANSPORTE DE PROTEÍNAS • ARMAZENAMENTO DE SUBSTÂNCIAS • CONTROLE OSMÓTICO • SECREÇÃO DE ENZIMAS DIGESTIVAS • ACROSSOMO • LAMELA MÉDIA (CÉLULA VEGETAL) 95 VO LU M E 2 C IÊ N CI AS D A N AT UR EZ A e su as te cn ol og ia s 1. Introdução O Núcleo é uma estrutura celular que abriga o DNA das cé lulas eucariotas. O núcleo é delimitado por uma membrana chamada envoltório nuclear. Durante a divisão celular, esse evoltório nuclear é desfeito, de modo que o material gené tico pode ser dividido entre as célulasfilhas. Quando uma célula não está passando por divisão celular, dizemos que ela se encontra em interfase. Observe na figura a seguir os componentes do núcleo interfásico: Carioplasma Carioteca Eucromatina Heterocromatina Poro Nucléolo Envoltório nuclear composição do núcleo celulaR duRante a inteRfase 1. O envoltório nuclear e o nucleoplasma O envoltório nuclear, também denominado envelope nu clear ou carioteca, é constituído por uma dupla membrana com duas lâminas (externa e interna) separadas pelo espa ço perinuclear e providas de uma série de poros. De natu reza lipoproteica, o envoltório está em continuidade com o retículo endoplasmático, do qual é uma diferenciação. Os poros do envoltório intervêm na regulação das trocas entre o núcleo e o citoplasma. Dessa forma, quanto maior for a atividade metabólica de uma célula, maior será a quan tidade de poros. No interior do envoltório, encontrase o nucleoplasma ou carioplasma, um gel proteico cujas pro priedades são comparáveis às do hialoplasma; nele estão imersos o nucléolo e a cromatina. 2. O nucléolo Nucléolos são regiões intranucleares ricas em RNA ribos sômico. Por meio do microscópio eletrônico, é possível verificar que os nucléolos não são envolvidos por membra nas. Uma importante função do nucléolo é a produção do RNA ribossômico, por isso é bastantedesenvolvido nas células com intensa síntese proteica. No início da divi são celular, os cromossomos começam a se condensar, e consequentemente a produção de RNAs, inclusive RNA ri bossômico, é pausada. Por isso, é possível observar através de microscópios que, durante o inicio da divisão celular, os nucléolos vão se reduzindo conforme os cromossomos se condensam, sendo reconstituídos no fim da divisão a partir da expressão de genes chamados RON’s, isto é, regiões organizadoras do nucléolo, localizados em cromossomos específicos, que são conhecidos como cromossomos orga nizadores nucleolares. fonte: Youtube Replicação e Compactação do DNA (3D Animation Legendado) multimídia: vídeo 3. A cromatina É no interior do núcleo, nos eucariontes, que se localiza o material genético. No núcleo interfásico, o material gené tico está descondensado, e se organiza como um amonto ado de grânulos e filamentos dificilmente observáveis ao microscópio óptico. Esse conjunto de material genético in terfásico é chamado de cromatina. A cromatina é compos ta de longos filamentos, que se apresentam distendidos ou enrolados helicoidalmente. As porções enroladas são cha madas de condensadas, e as distendidas, de descondensa das. O material genético é constituído por DNA e proteínas básicas, denominadas histonas. NÚCLEO COMPETÊNCIA(s) 4 HABILIDADE(s) 13 e 14 CN AULAS 13 E 14 96 VO LU M E 2 C IÊ N CI AS D A N AT UR EZ A e su as te cn ol og ia s Em relação à estrutura e função, a cromatina é classificada em: eucromatina e heterocromatina, como é possível ob servar na figura a seguir. A eucromatina aparece descon densada na interfase, condensandose progressivamente durante a divisão celular, sendo geneticamente ativa, isto é, capaz de produzir o RNA mensageiro. No estágio in terfásico, a heterocromatina se apresenta condensada, formando grânulos conhecidos como cromocentros, sendo chamada de inativa por não produzir o RNA mensageiro. as distensões de cRomatina: heteRocRomatina (inativa) e eucRomatina (ativa). fonte: Youtube Citologia – Componentes celulares multimídia: vídeo 4. Número e tamanho Em geral, as células não possuem mais do que um núcleo, embora existam células binucleadas, como as do fígado e as cartilaginosas, e plurinucleadas, como é o caso das mus culares estriadas. O tamanho do núcleo varia de um tipo celular a outro, mas é único para o mesmo tipo. O volume do núcleo interfásico é proporcional ao volume celular, o que é expresso pela denominada relação nucleoplasmática (RNP), que pode ser assim expressa: Na célula jovem, o núcleo é volumoso e a RNP é elevada. Du rante o crescimento celular, a RNP diminui, pois o volume cito plasmático aumenta e o nuclear permanece inalterado. Quan do a RNP atinge certo valor mínimo e crítico, a célula se divide. 5. A função do núcleo A principal função do material genético (que está presente no núcleo) é controlar e regular todas as atividades metabóli cas da célula. A sua importância na vida da célula pode ser evidenciada com uma experiência clássica, conhecida como merotomia. Uma ameba é cortada em dois fragmentos: um nucleado e outro anucleado. O primeiro, nucleado, sobrevive, e o segundo, devido à falta do material genético, degenera. 6. A estrutura cromossômica Cada cromossomo é formado por uma única molécula de DNA associada a proteínas, cujo conjunto forma uma complexa estrutura denominada cromatina. Examinada ao microscópio eletrônico, a cromatina se apresenta sob a for ma de um filamento helicoidal, com 30 nm de espessura. Quando distendido, esse filamento passa a ter 11 nm de espessura, com uma estrutura semelhante a um colar de contas. Assim, as contas são representadas pelos nucleos somos, e o fio, pela molécula de DNA, com 2 nm de espes sura. Cada nucleossomo é formado por um octâmero, constituído por quatro pares de moléculas proteicas, de nominadas histonas. Observe na ilustração a seguir o ciclo cromossômico de condensação: a foRmação do cRomossomo a paRtiR da molécula de dna. 6.1. A forma do cromossomo Em um cromossomo condensado existe uma região estran gulada que o divide em duas partes: os braços. Denomina 97 VO LU M E 2 C IÊ N CI AS D A N AT UR EZ A e su as te cn ol og ia s VIVENCIANDO da constrição primária ou centrômero, essa região é útil para a fixação do cromossomo nas fibras do fuso durante a mitose. Além da constrição primária, certos cromossomos possuem estreitamentos que aparecem sempre no mesmo lugar, são as constrições secundárias. O estudo do processo de reorganização nucleolar demonstrou que as constrições secundárias possuem uma região denominada Zona Sat, sa télite ou região organizadora do nucléolo. Em certos cromossomos, é possível observar na extremidade de um dos braços uma pequena esfera presa por fina trabé cula: tratase do satélite. As extremidades dos cromossomos são denominadas telômeros e os protegem e finalizam. caRacteRização de um tipo de cRomossomo. De acordo com a localização do centrômero e o tamanho rela tivo dos braços, distinguemse quatro tipos de cromossomos: acrocêntrico, submetacêntrico, metacêntrico e telocêntrico. tipos de cRomossomo § Telocêntrico – cromossomo com centrômero terminal. § Acrocêntrico – cromossomo com centrômero sub terminal, ou seja, situado quase na extremidade do cromossomo, dividindoo em dois braços, um grande e outro muito pequeno. § Submetacêntrico – cromossomo com centrômero submediano, dividindo o cromossomo em dois braços desiguais, um menor e outro ligeiramente maior. § Metacêntrico – cromossomo com centrômero me diano, dividindo o cromossomo em dois braços iguais. 7. A duplicação dos cromossomos A duplicação cromossômica é realizada longitudinalmente e ocorre no período S da interfase, sendo determinada pela replicação do DNA. Depois da duplicação, cada cromossomo apresentase dividi do em duas metades denominadas cromátides, unidas pelo centrômero que permanece indiviso, isto é, sem se dividir. cRomátides: distintas em cRomossomo duplicado. Por meio do estudo do núcleo, ou seja, por meio da contagem do número de cromossomos presentes no núcleo de uma determinada célula, é possível determinar uma espécie do ponto de vista molecular. Assim, seres vivos que eram considerados da mesma espécie pela classificação morfofisiológica foram realocados em grupos dis tintos depois de uma análise genética detalhada dos componentes nucleares. 98 VO LU M E 2 C IÊ N CI AS D A N AT UR EZ A e su as te cn ol og ia s CONEXÃO ENTRE DISCIPLINAS 8. O número de cromossomos e a ploidia A ploidia indica a quantidade de conjuntos cromossômi cos que uma célula possui. A célula que possui apenas um conjunto simples de cro mossomos é denominada haploide, ou seja, tem apenas um único exemplar de cada tipo de cromossomo. Também é possível afirmar que apresenta somente um genoma, que é o conjunto das moléculas de DNA que a célula pos sui. Lembrese de que uma molécula de DNA é equivalente geneticamente a um cromossomo. A célula diploide possui dois conjuntos de cromossomos, ou pares de homólogos ou, ainda, dois genomas. O geno ma é representado por (n). As células humanas são diploides e possuem 46 cromos somos ou moléculas de DNA. Dessa forma, deve ser identi ficada assim: 2n = 46, por possuir dois genomas, uma vez que são diploides, totalizando 46 cromossomos. Observe o exemplo a seguir: caRacteRização de diploidia e haploidia. 9. O cariótipo O número, o tamanho e a forma dos cromossomos dos in divíduos de uma mesma espécie não variam. Esse conjunto de características ou constantes cromossômicas é denomi nado cariótipo. O exame do cariótipo, também chamado de cariotipagem, é realizado durante a uma etapa da divisão celular chamada de metáfase, quando os cromossomos são mais visíveis por estarem condensados ao máximo. Para análise do cariótipo, fotografase a célula em metáfa se,recortandose os cromossomos, que são arrumados em ordem de tamanho decrescente. A cariotipagem humana, por exemplo, é realizada com células cultivadas em labora tório e obtidas por biópsia de medula óssea, pele, testículos e sangue. Espécies diferentes possuem cariótipos distintos. Observe a seguir a ilustração do cariótipo humano: caRiótipo humano masculino (xY) Em relação à dinâmica da ativação e desativação dos genes, é fundamental conhecer grupos químicos orgânicos, como o metil e o acetil. Além disso, também é importante possuir conhecimentos sobre ligações químicas. Histonas acetiladas representam um tipo de marco epigenético dentro da cromatina. As ligações dos grupos acetil possuem uma carga negativa, neutralizando a carga positiva característica das histonas, reduzindo assim a interação das histonas com os grupos fosfato negativamente carregados do DNA. Em consequência, a cromatina é descondensada, permintindo maiores níveis de transcrição de genes. Esse descondensamento pode ser revertido pela atividade de enzimas deacetiladoras e enzimas metiladoras. A ação de metilação é indireta e não tem efeito sobre as cargas, porém, está relacionada com a condensação de genes e consequen temente com uma queda da transcrição gênica. 99 VO LU M E 2 C IÊ N CI AS D A N AT UR EZ A e su as te cn ol og ia s Os cromossomos humanos Em 1921, Theophilus Painter, observando ao micros- cópio finos cortes de testículos humanos, contou, pela primeira vez, 48 cromossomos. A experiência foi confirmada por observações de outros biólogos e durante 35 anos o número 48 sempre foi citado e adotado. Em 1955, Tijo e Levan, utilizando técnicas mais aprimoradas, constataram a existência de 46 cromossomos. http://www.sobiologia.com.br/conteudos/Citologia2/ nucleo.php multimídia: site ÁREAS DE CONHECIMENTO DO ENEM HABILIDADE 13 Reconhecer mecanismos de transmissão da vida, prevendo ou explicando a manifestação de características dos seres vivos. Dentro do núcleo das células eucarióticas, os cromossomos podem estar organizados de diferentes maneiras. Para a resolução dessa questão, é fundamental entender o conceito de ploidia e cariótipo, de acordo com o número e com a quantidade de pares de cromossomos. Além disso, o conhecimento sobre divisão celular, que é assunto das próximas aulas, também auxiliará na resolução. MODELO 1 (Enem) Quando adquirimos frutas no comércio, observamos com mais frequência frutas sem ou com poucas sementes. Essas frutas têm grande apelo comercial e são preferidas por uma parcela cada vez maior da po pulação. Em plantas que normalmente são diploides, isto é, apresentam dois cromossomos de cada par, uma das maneiras de produzir frutas sem sementes é gerar plantas com uma ploidia diferente de dois, geralmente triploide. Uma das técnicas de produção dessas plantas triploides é a geração de uma planta tetraploide (com 4 conjuntos de cromossomos), que produz gametas diploides e promove a reprodução dessa planta com uma planta diploide normal. A planta triploide oriunda desse cruzamento apresentará uma grande dificuldade de gerar gametas viáveis, pois como a segregação dos cromossomos homólogos na meiose I é aleatória e independente, esperase que: a) os gametas gerados sejam diploides; b) as cromátidesirmãs sejam separadas ao final desse evento; c) o número de cromossomos encontrados no gameta seja 23; d) um cromossomo de cada par seja direcionado para uma célulafilha; e) um gameta raramente terá o número correto de cromossomos da espécie. ANÁLISE EXPOSITIVA A ploidia se refere à maneira como os cromossomos se organizam nas células. Quando estão individuais, afir mase que as células são haploides; quando estão em pares, diploides; em trio, triploides; e assim por diante. Um organismo que é naturalmente diploide geralmente produz gametas haploides. Portanto, o gameta desse organismo triploide raramente terá o número de cromossomos da espécie, pois, durante a divisão meiótica, os cromossomos vão se separar de diferentes maneiras. RESPOSTA Alternativa E 100 VO LU M E 2 C IÊ N CI AS D A N AT UR EZ A e su as te cn ol og ia s DIAGRAMA DE IDEIAS NÚCLEO CELULAR CARIOPLASMA • GEL PROTEICO ONDE SE ENCONTRA O NUCLÉOLO E A CROMATINA NUCLÉOLO CROMATINA • PRODUZ RNAR • REGIÃO DESCONDENSADA E ATIVA DO DNA • PRODUZ RNA MENSAGEIRO • REGIÃO CONDENSADA E INATIVA DO DNA • NÃO PRODUZ RNA MENSAGEIRO EUCROMATINA HETEROCROMATINA RELAÇÃO NUCLEOPLAS- MÁTICA VOLUME NUCLEAR VOLUME CELULAR VOLUME NUCLEAR CARIOTECA • MEMBRANA NUCLEAR • POROS QUE CONTROLAM A ENTRADA E A SAÍDA DAS SUBSTÂNCIAS CROMOSSOMO DNA condensado HAPLOIDE (N = 3) DIPLOIDE (2N = 6) • TELOCÊNTRICO • ACROCÊNTRICO • SUBMETACÊNTRICO • METACÊNTRICO • BRAÇO • CENTRÔMERO • SATÉLITE • TELÔMERO PLOIDIA PARES HOMÓLOGOS (CROMOSSOMOS HOMÓLOGOS) TIPO ESTRUTURA BÁSICA I I I II II II 101 VO LU M E 2 C IÊ N CI AS D A N AT UR EZ A e su as te cn ol og ia s 1. Ciclo celular e mitose A maioria das células realiza um ciclo celular que consiste num programa para o crescimento, a divisão e a prolifera ção celular. O ciclo compreende duas etapas: interfase e mitose ou divisão celular. A interfase é o intervalo entre as divisões, durante o qual ocorre o crescimento da célula. A análise de um tecido com células em divisão, como a extremidade de uma raiz, pode mostrar que a maioria das células se encontra em interfase; somente uma pequena porcentagem aparece em divisão. 1.1. A interfase Na interfase, são identificadas três fases: G1, S e G2. A fase G1 (do inglês gap, que significa “intervalo”) é ca racterizada por dois processos: crescimento e diferencia ção. Nessa fase, ocorre a síntese de proteínas, processo que depende da atividade dos genes. Cada cromossomo aparece descondensado e constituído por uma molécula de DNA, em que estão contidos os genes. Cada gene, ao entrar em atividade, realiza a transcrição, isto é, sintetiza uma molécula de RNA mensageiro, cuja função é trans mitir aos ribossomos a informação genética necessária à síntese de proteínas estruturais e reguladoras. As proteínas estruturais atuam na edificação das estruturas celulares; as reguladoras são as enzimas que ativam o metabolismo ce lular. Por meio desses processos, ocorrem o crescimento e a diferenciação da célula. Durante a diferenciação, a célula sofre importantes transformações estruturais e morfológi cas, adaptandose a exercer uma função específica. Em S (S de síntese), ocorre a síntese de DNA, que permite a replicação da molécula e a consequente duplicação dos filamentos de cromatina. Nessa fase, cada filamento ou molécula de DNA aparece constituído por duas cromátides unidas pelo centrômero. Durante a fase G2, em menor escala, a célula novamente cresce e sintetiza proteínas necessárias para a divisão ce lular, como os microtúbulos que formarão o fuso mitótico. Em seguida, a célula entra em M, etapa que corresponde à divisão celular ou mitose. Ocasionalmente, a célula pode sair de G1 e entrar em G0, fase na qual o metabolismo celular é relativamente estável e não ocorre crescimento. Células musculares e nervosas que não se dividem estão constantemente em G0. Observe na figura a seguir o ciclo celular e um destaque da interfase: vaRiação da quantidade de cRomossomos duRante a inteRfase e a divisão celulaR. 1.2. O controle do ciclo celular O ciclo celular é regulado pela ativação e desativação de um sistema de controle complexo formado por duas proteínas: a quinase dependente da ciclina (Cdk), e a ciclina. A Cdk deve associarse à ciclina para ser ativada e iniciar o ciclo. A cada ciclo celular, as ciclinas são sintetizadas e usadas para ativar as Cdk. Atualmente são conhecidas duas ciclinas: a ciclina de fase S, que desencadeia a duplicação do DNA, e a ciclina mitótica, que promove o início da mitose (M). Danos irreversíveis no material genético (DNA) podem des controlaro ciclo celular e ativar mecanismos que ocasio nam a morte celular programada, fenômeno denominado apoptose. Células em G0 não sintetizam ciclinas. Em cé lulas cancerosas, a síntese dessas proteínas é intensa, pois nessa situação há uma elevada proliferação celular. 1.3. Características e funções da mitose A mitose é o processo de divisão celular que possibilita a distribuição dos cromossomos e dos constituintes citoplas máticos da célulamãe entre as duas célulasfilhas. Tratase DIVISÃO CELULAR: MITOSE COMPETÊNCIA(s) 4 HABILIDADE(s) 13 e 14 CN AULAS 15 E 16 102 VO LU M E 2 C IÊ N CI AS D A N AT UR EZ A e su as te cn ol og ia s do processo responsável pela multiplicação dos organis mos unicelulares e pelo crescimento e regeneração dos pluricelulares devido ao aumento do número de células. A mitose possui duas etapas: a cariocinese, ou divisão do material genético do núcleo, e a citocinese, ou divisão do citoplasma. A cariocinese é um processo contínuo; contu do, para efeito didático, é dividido em quatro fases: prófa- se, metáfase, anáfase e telófase. Observe o esquema na figura a seguir: - o ciclo celulaR com destaque paRa as fases da mitose. § Prófase: nessa fase, cada cromossomo é constituí do por duas cromátides resultantes da duplicação do DNA no período S da interfase. As cromátides são unidas pelos filamentos do centrômero. A prófase se caracteriza por apresentar DNA e centríolos duplica dos, além da espiralização ou do condensamento dos cromossomos, que se tornam mais curtos e grossos devido ao processo de helicoidização. Os nucléolos se desorganizam, e os centríolos, que foram duplicados durante a interfase, migram para polos opostos da cé lula. O citoesqueleto se desorganiza e seus elementos vão se tornar o principal componente do fuso mitótico que inicia sua formação do lado de fora do núcleo. O fuso mitótico é uma estrutura bipolar constituída por microtúbulos e proteínas associadas. O estágio final da prófase, também chamado de prémetáfase, tem como principal característica o desmembramen to do envoltório nuclear em pequenas vesículas que se espalham pelo citoplasma. O fuso é formado por microtúbulos ancorados nos centríolos que crescem em todas as direções. Quando os microtúbulos dos centrossomos opostos interagem na zona de sobre posição, proteínas especializadas estabilizam o seu crescimento. Os cinetócoros dos centrômeros ligam se na extremidade de crescimento dos microtúbulos. Assim, o fuso entra na região nuclear e tem início o alinhamento dos cromossomos para o plano equato rial, como é possível observar na figura a seguir: alteRações no núcleo e na estRutuRa dos cRomossomos que maRcam a pRófase 103 VO LU M E 2 C IÊ N CI AS D A N AT UR EZ A e su as te cn ol og ia s fonte: Youtube Já pensou em aprender Mitose assim? multimídia: vídeo Em seguida, graças ao alongamento das fibras de um áster, aparentemente os dois centros celulares são empurrados para polos opostos da célula, motivo pelo qual passam a ser chamados de fibras polares. Na anáfase, a tarefa do fuso mitótico é conduzir os cromossomos para polos opostos. No centrômero de cada cromossomo duplicado, duas estruturas especializadas, denominadas cinetócoros – outro centro organizador de microtúbulos – são orien- tadas em direções opostas. Depois de organizados pelo cinetócoro, os microtúbu- los passam a ser denominados fibras cromossômicas ou cinetocóricas, que vão aparecer na prometáfase. As fibras cromossômicas também fazem parte do fuso mitótico. O fuso mitótico, portanto, é formado pelas fibras polares e do áster, organizadas pelos centros celulares, e pelas fibras cromossômicas, or- ganizadas pelos cinetócoros. § Metáfase: nessa fase, os cromossomos duplos ocupam o plano equatorial do aparelho mitótico. Os cromosso mos adotam uma orientação radial, constituindo a placa equatorial. Os cinetócoros das duas cromátides estão voltados para os polos opostos. Ocorre um equilíbrio de forças. É momento de maior condensação dos cromos somos. CENTROSSOMO CROMOSSOMOS CINETÓCORO MICROTÚBULOS LIVRES MICROTÚBULOS POLARES MICROTÚBULOS DO CINETÓCORO a metáfase é maRcada pelo alinhamento dos cRomossomos na Região equatoRial da célula. § Anáfase: essa fase tem início quando os centrômeros se tornam funcionalmente duplos. Com a separação dos centrômeros, as cromátides se separam e iniciam sua migração em direção aos polos. O centrômero precede o resto da cromátide. Os cromossomos são puxados pelas fibras do fuso e assumem um formato característico em V ou L, dependendo do tipo de cro mossomo. A anáfase se caracteriza pela migração polar dos cromossomos. Os cromossomos se movem na velocidade de cerca de 1 micrômetro por minuto. Nesse estágio, dois movimentos podem ser distinguidos: os microtúbulos cinetocóricos encurtam quando os cromossomos se aproximam dos polos. Fuso mitótico Logo no início da prófase, os microtúbulos do citoes- queleto se desorganizam, enquanto as moléculas de tubulina que os compõem permanecem no citosol. Durante a divisão celular, essas moléculas contri- buem com a formação dos microtúbulos que vão dar corpo ao fuso mitótico. Os primeiros elementos do fuso mitótico surgem nessa fase: as fibras do áster e as fibras polares. Entra em ação o centro celular que organiza essas fibras, esses microtúbulos, uma vez que essa é a região do citoplasma relacionada à formação do citoesqueleto. Em cada centro celular, as fibras do áster se dispõem radialmente, apresentando duas estruturas. A princí- pio, ficam dispostas lado a lado, próximas à carioteca. 104 VO LU M E 2 C IÊ N CI AS D A N AT UR EZ A e su as te cn ol og ia s CENTROSSOMO CINETÓCORO CROMOSSOMOS MICROTÚBULOS POLARES MICROTÚBULOS DO CINETÓCORO na anáfase, os cRomossomos são sepaRados e dispostos em polos opostos. § Telófase: a telófase se inicia quando os cromosso mosfilhos alcançam os polos. Os microtúbulos cine tocóricos desaparecem e os microtúbulos polares se alongam. Os cromossomos, num processo inverso à profáse, passam a se desenrolar. Esses cromossomos se agrupam em massas de cromatina que são circunda das por cisternas do retículo endoplasmático, as quais se fundem para formar um novo envoltório nuclear. Centríolos Cromossomo Núcleo Envoltório nuclear em formação Anel de actina e miosina contrátil Microtúbos remanescentes (interzonais) na telófase, a divisão celulaR é concluída com a sepaRação das células-filhas. § Citocinese: é o processo de clivagem e separação do citoplasma. A citocinese tem início na anáfase e termi na após a telófase, com a formação das célulasfilhas. Em células animais, formase, na zona equatorial da célulamãe, uma constrição que progride e estrangula o citoplasma. Essa constrição é causada pela interação molecular entre actina, miosina e microtúbulos. Uma divisão mitótica gera duas célulasfilhas com número de cromossomos igual ao da célulamãe. o ciclo celulaR em detalhes de cada fase componente e de sua Respectiva duRação. 105 VO LU M E 2 C IÊ N CI AS D A N AT UR EZ A e su as te cn ol og ia s VIVENCIANDO 1.4. Variação da quantidade de DNA no ciclo celular Durante o período G1 da interfase, a quantidade de DNA equivale ao estoque diploide de cromossomos. Durante a fase S, essa quantidade dobra e assim permanece em G2, na prófase e metáfase. Durante a anáfase, a partição dos cromossomos leva a quantidade de DNA nas célulasfilhas ao valor do estado diploide. Observe no gráfico a seguir a variação da quantidade de DNA no ciclo celular: Prófase e metáfase Anáfase Telófase TempoG1 S G2 Q ua nt id ad e de D N A Prófase até anáfase Telófase e citocinese na vaRiação da quantidade de mateRial genético no ciclo celulaR, note como, na mitose, a quantidade de dna se mantém ao final da divisão. fonte: http://www.coladaweb.com/biologia/ biologia-celulaR/mitose-e-meiose2. A mitose e as organelas citoplasmáticas Além dos cromossomos, as célulasfilhas herdam da cé lulamãe as organelas citoplasmáticas. Organelas que se autoduplicam, como é o caso de cloroplastos e mitocôn drias, dobram a cada ciclo celular e são distribuídas pelas célulasfilhas. Os ribossomos são formados pelos nucléolos, e os lisossomos pelo sistema golgiense. Outras organelas membranosas, como o sistema golgiense e o retículo endo plasmático, fragmentamse durante a divisão celular e são distribuídas pelas célulasfilhas. 3. Diferenças entre a mitose animal e a vegetal Os fenômenos morfológicos da mitose descritos anterior mente são observados nas células animais; com efeito, o mesmo processo ocorre nas células vegetais, embora com duas diferenças fundamentais. § Mitose astral e anastral – na célula animal, os cen tríolos são envolvidos pelas fibras do áster, configuran do uma mitose astral. Os vegetais superiores não pos suem centríolos e, por isso, não formam ásteres; essa mitose é denominada anastral. paRticulaRidades da mitose na célula animal (à esqueRda) e vegetal (à diReita). § Citocinese – na célula animal, a citocinese ocorre por estrangulamento da membrana plasmática, sendo cha mada de centrípeta. Nos vegetais, por sua vez, não ocorre o processo de estrangulamento citoplasmático, por isso é chamada de centrífuga. Dentro da área de biotecnologia, o processo de mitose possui aplicação prática. Os avanços na criação de órgãos a partir de célulastronco, no tratamento do câncer mediante a imunoterapia e na exploração espacial foram algumas das principais notícias da ciência em 2013. Pela primeira vez, cientistas japoneses da escola de medicina da Universidade de Yokohama conseguiram reproduzir in vitro, a partir de célu las pluripotentes induzidas (iPS), um fragmento de fígado humano que, ao ser transplantado em ratos, funcionou corretamente. fonte: <http://exame.abRil.com.bR/ciencia/pesquisa-com-celulas-tRonco-avanca-Rumo-a-cRiacao-de-oRgaos>. Para formar esse fragmento de fígado humano, as célulastronco realizaram sucessivas mitoses para criar esse tecido hepático. Com efeito, tratase apenas de uma das aplicações da mitose dentro da área de biotecnologia. 106 VO LU M E 2 C IÊ N CI AS D A N AT UR EZ A e su as te cn ol og ia s CONEXÃO ENTRE DISCIPLINAS Na região equatorial, no meio do fuso, surgem vesículas limitadas por uma membrana. No início, as vesículas apare cem na região central e depois aumentam para a periferia; por isso, falase em divisão centrífuga. O conjunto de tais vesículas constitui o fragmoplasto. As vesículas se fundem, formando uma lâmina que separa as duas célulasfilhas. No interior da cavidade formada pela confluência de tais vesículas, acumulase celulose, origi nando nova membrana esquelética. a citocinese centRífuga da célula vegetal. 4. O controle do ciclo celular e a origem do câncer As células ner vosas e musculares não se dividem e per manecem estacionadas no período chamado G0. equivalente à interfase, período de intensa atividade metabólica do ciclo celular. Os agentes antimitóticos Os agentes antimitóticos, também denominados inibi- dores da mitose, compreendem radiações ou substân- cias químicas capazes de bloquear as mitoses. Esses inibidores atuam principalmente sobre o DNA, o fuso e a citocinese. § Inibidores da síntese do DNA – sabe-se que a mitose só ocorre depois da síntese do DNA, que ocorre na interfase. Por esse motivo, os agentes que impedem a síntese do DNA atuam como an- timitóticos. Entre os bloqueadores da síntese do DNA, é possível citar os raios X e a aminopterina. § Inibidores do fuso mitótico – quando uma célula é tratada pela colchicina, os fenômenos mitóti- cos se desenrolam normalmente até a metáfase; contudo, o fuso de divisão não se forma. A célula pode voltar a um estado interfási- co, ficando tetraploide. O mesmo ocorre quando as células absor- vem a vincalencoblastina. § Inibidores da citocinese – a cisteamina e a cito- calasina inibem a divisão do citoplasma e provo- cam a formação de células binucleadas. Célula 2N Colchinina Célula 4N O crescimento de uma colônia bacteriana ocorre por meio do processo de mitose. Para estipular o tamanho populacional dessa colônia ao longo do tempo, podem ser utilizadas fórmulas matemáticas. As bactérias crescem na sequência de uma progressão geométrica em que o número de indivíduos duplica após um determinado período de tempo denominado tempo de geração (O). Assim, podese calcular o número de bactérias (N) depois de um número de gerações (n) por meio da equação N = NO × 2N × N0, sendo o número de células presentes. O número de gerações pode ser calculado como n = T/O, onde t é o tempo decorrido. fonte: <www.monogRafias.com/tRabaJos27/cRecimiento-bacteRiano/cRecimiento-bacteRiano.shtml> A interfase das células que se dividem ativamente é suce dida pela mitose, que culmina na citocinese. A passagem de uma fase para outra é controlada por fatores – em geral proteicos – de regulação. Eles atuam nos chamados pontos de checagem do ciclo celular. Entre essas proteínas, desta camse as ciclinas, que controlam a passagem da fase G1 para a fase S e a passagem da G2 para a mitose. Caso haja alguma anomalia numa dessas fases, como um dano no DNA, o ciclo é interrompido até que esse dano seja reparado e o ciclo celular possa continuar. Caso contrário, a célula é conduzida à apoptose (morte celular programada). Outro ponto de checagem é o da mitose, que promove a distribuição correta dos cromossomos pelas célulasfilhas. Visto que o ciclo celular é perfeitamente regulado e está sob controle de diversos genes, o resultado disso é a multi plicação e diferenciação das células que compõem os dife rentes tecidos do organismo. Os pontos de checagem são mecanismos que evitam a formação de células anômalas. 107 VO LU M E 2 C IÊ N CI AS D A N AT UR EZ A e su as te cn ol og ia s o ciclo celulaR com destaque paRa os pontos de checagem, que contRibuem paRa evitaR a foRmação de células anoRmais. Anomalias na regularidade do ciclo celular, descontrole da mitose e alterações no funcionamento de genes controla dores, em decorrência de mutações, sáo fatores relaciona dos à origem de células cancerosas. mecanismo de foRmação de metástases, fotos tumoRais em difeRentes Regiões do coRpo. Os telômeros estão relacionados a outra ocorrência que al tera a regularidade do ciclo celular. Tratase de segmentos de moléculas de DNA com repetições de bases que atuam como “capas protetoras” da extremidade dos cromossomos. Nas células humanas normais, a cada ciclo celular os telô meros diminuem progressivamente ao mesmo tempo que as extremidades dos cromossomos. Caso alcancem um limite mínimo de tamanho incompatível com a vida da célula, as divisões celulares são paralisadas e o fim da vida da célula é consolidado. Graças à reposição constante de telômeros, a enzima telo merase – em células cancerosas – é responsável pela trans posição que as mantêm com o tamanho original, permitindo assim que as células se dividam continuamente e tornemse praticamente “imortais”. localização dos telômeRos em cRomossomo. 5. A divisão da célula bacteriana O processo de divisão da célula bacteriana é mais simples do que o das eucarióticas e costuma ser chamado de bipar tição simples ou fissão bacteriana. A divisão das bactérias se inicia pelo alongamento da célu la, seguido da duplicação de seu material genético circular. Em seguida, a membrana plasmática, mais interna à pare de celular, se invagina e cria uma região da membrana cha mada de mesossomo. A região do mesossomo interage com o DNA duplicado e auxilia na separação das duas có pias. A região do mesossomo migra em direção aos polos da bactéria, interagindo e levando cada cópia separada do material genético para um polo da célula bactéria. Segui damente, a membrana plasmática começa a se invaginar naregião média e separa as duas células filhas. 108 VO LU M E 2 C IÊ N CI AS D A N AT UR EZ A e su as te cn ol og ia s ÁREAS DE CONHECIMENTO DO ENEM HABILIDADE 13 Reconhecer mecanismos de transmissão da vida, prevendo ou explicando a manifestação de características dos seres vivos. Dentro do núcleo das células eucarióticas, os cromossomos podem estar organizados de diferentes manei ras. Para a resolução dessa questão, é fundamental entender o conceito de ploidia e cariótipo, de acordo com o número e com a quantidade de pares de cromossomos. Além disso, o conhecimento sobre divisão celular, que é assunto das próximas aulas, também auxiliará na resolução. MODELO 1 (Enem) Os seres vivos apresentam diferentes ciclos de vida, caracterizados pelas fases nas quais gametas são produzidos e pelos processos reprodutivos que resultam na geração de novos indivíduos. Considerandose um modelo simplificado padrão para geração de indivíduos viáveis, a alternativa que corresponde ao observado em seres humanos é: a) b) c) d) e) ANÁLISE EXPOSITIVA Os ciclos de vida podem ser haplobiontes, em que a meiose acontece depois da formação do zigoto, e os gametas são gerados por mitose, como ocorre em algumas algas; haplodiplobiontes, em que a meiose ocorre na formação de esporos, como ocorre nos vegetais; e diplobiontes, em que a meiose é gamética, como ocorre nos animais. Assim, o ciclo de vida que representa corretamente o ser humano é o diplobionte. RESPOSTA Alternativa C 109 VO LU M E 2 C IÊ N CI AS D A N AT UR EZ A e su as te cn ol og ia s DIAGRAMA DE IDEIAS CICLO CELULAR E MITOSE INTERFASE (PERÍODO ENTRE DUAS DIVISÕES CELULARES) MITOSE G1 PRÓFASE METÁFASE ANÁFASE TELÓFASE S G2 G0 • CRESCIMENTO E DIFERENCIAÇÃO • SÍNTESE DE PROTEÍNAS • MIGRAÇÃO DOS CENTRÍOLOS PARA OS POLOS • UNIÃO DOS CROMOSSOMOS AO FUSO MITÓTICO • CROMOSSOMOS ALINHADOS NO PLANO EQUATORIAL • GRAU MÁXIMO DE CONDENSAÇÃO • MIGRAÇÃO DAS CROMÁTIDES PARA OS POLOS • FORMAÇÃO DO NÚCLEO • CARIOCINESE • DUPLICAÇÃO DO DNA • SÍNTESE DE PROTEÍNAS UTILIZADAS NA DIVISÃO • METABOLISMO CELULAR CONSTANTE • NÃO HÁ DIVISÃO Prófase e metáfase Anáfase Telófase TempoG1 S G2 Q ua nt id ad e de D N A ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ANOTAÇÕES 110 VO LU M E 2 C IÊ N CI AS D A N AT UR EZ A e su as te cn ol og ia s