Nesta palestra, assim como na anterior e na seguinte, eu lido com áreas da Biologia onde eu sou realmente fraco: origem da vida, diversidade da vida, e taxonomia/sistemática. Estas são também áreas onde houve muitas mudanças recentemente (muitas vezes ainda não incorporadas nos livros didáticos), e é pouco provável que eu esteja atualizado, portanto, por favor me ajude a elevar estas palestras aos padrões…. Este post foi originalmente escrito em 2006 e publicado novamente algumas vezes, incluindo em 2010.
Como você deve saber, eu venho ensinando BIO101 (e também o Laboratório BIO102) para estudantes não-tradicionais em um programa de educação de adultos há cerca de doze anos. De vez em quando eu musico sobre isso publicamente no blog (veja isto, isto, isto, isto, isto, isto e isto para alguns pequenos posts sobre vários aspectos – desde o uso de vídeos, ao uso de um blog em sala de aula, até a importância do Acesso Livre para que os alunos possam ler literatura primária). A qualidade dos alunos deste programa tem aumentado constantemente ao longo dos anos, mas eu ainda estou muito limitado com o tempo: Eu tenho oito reuniões de 4 horas com os alunos ao longo de oito semanas. Neste período tenho de lhes ensinar toda a biologia de que precisam para as disciplinas não científicas, além de deixar tempo suficiente para cada aluno fazer uma apresentação (sobre a ciência de sua planta e animal preferidos) e para dois exames. Assim, tenho que despojar as palestras para os ossos nus, e espero que esses ossos nus sejam o que as áreas de não ciência realmente precisam saber: conceitos ao invés de factóides, relação com o resto de suas vidas ao invés de relação com as outras ciências. Assim, eu acompanho minhas palestras com vídeos e discussões em sala de aula, e seus deveres de casa consistem em encontrar vídeos ou artigos de biologia legal e postar os links no blog da sala de aula para que todos possam ver. Algumas vezes usei a malária como um fio condutor que ligava todos os tópicos – da biologia celular à ecologia, da fisiologia à evolução. Acho que isso funcionou bem, mas é difícil de fazer. Eles também escrevem um artigo final sobre algum aspecto da fisiologia.
Outro novo desenvolvimento é que a administração percebeu que a maior parte do corpo docente está com a escola há muitos anos. Somos experientes, e aparentemente sabemos o que estamos fazendo. Assim, recentemente eles nos deram muito mais liberdade para projetar nosso próprio programa ao invés de seguir um programa pré-definido, desde que os objetivos finais da classe permaneçam os mesmos. Eu não estou exatamente certo quando estou dando as aulas do BIO101 novamente (final do outono, primavera?), mas eu quero começar a repensar minha aula mais cedo. Também estou preocupado que, como não estou fazendo pesquisas ativamente no laboratório e, portanto, não estou seguindo a literatura tão de perto, algumas das coisas que ensino agora estão desatualizadas. Não que alguém consiga acompanhar todos os avanços em todas as áreas da Biologia que é tão grande, mas pelo menos grandes atualizações que afetam o ensino de cursos introdutórios são coisas que eu preciso saber.
Eu preciso colocar em dia e atualizar minhas notas de palestra. E que melhor maneira do que crowdsource! Então, durante as novas semanas, vou postar novamente as minhas antigas notas de palestra (note que elas são apenas intros – discussões e vídeos, etc. sigam-nas em sala de aula) e vou pedir que vocês me verifiquem os fatos. Se eu tiver algo errado ou se algo estiver desatualizado, me avise (mas não empurre apenas sua própria hipótese preferida se uma pergunta ainda não estiver resolvida – me dê toda a explicação da controvérsia em vez disso). Se faltar alguma coisa gritante, avise-me. Se algo puder ser dito em uma linguagem mais agradável – edite minhas frases. Se você estiver ciente de imagens legais, artigos, posts em blogs, vídeos, podcasts, visualizações, animações, jogos, etc. que possam ser usados para explicar esses conceitos básicos, me avise. E no final, uma vez que façamos isso com todas as palestras, vamos discutir o programa geral – existe uma maneira melhor de organizar todo esse material para uma aula tão rápida.
Anatomia é a sub-disciplina da biologia que estuda a estrutura do corpo. Ela descreve (e rotula em latim) a morfologia do corpo: forma, tamanho, cor e posição de várias partes do corpo, com particular atenção aos órgãos internos, como visível a olho nu. Histologia é um subconjunto da anatomia que descreve o que só pode ser visto ao microscópio: como as células estão organizadas em tecidos e os tecidos em órgãos. A embriologia (clássica) descreve a forma como os tecidos e órgãos mudam de forma, tamanho, cor e posição durante o desenvolvimento.
Anatomia fornece o mapa e as ferramentas para o estudo da função dos órgãos no corpo. Ele descreve (mas não explica) a estrutura do corpo. A fisiologia descreve ainda como o corpo funciona, enquanto a biologia evolutiva fornece a explicação da estrutura e da função.
Embora os detalhes da anatomia humana sejam essenciais na educação de médicos e enfermeiros (e anatomia animal para veterinários), não temos tempo, nem precisamos prestar muita atenção aos detalhes anatômicos finos. Vamos retomar a anatomia relevante ao discutirmos a função dos órgãos: fisiologia.
Existem tradicionalmente duas formas de estudar (e ensinar) a fisiologia. A primeira abordagem é médica/biochequímica. O corpo é subdividido em sistemas de órgãos (por exemplo, respiratório, digestivo, circulatório, etc.) e cada sistema é estudado separadamente, começando pela fisiologia de todo o organismo e descendo gradualmente até ao nível dos órgãos, tecidos, células e moléculas, terminando com a bioquímica da função fisiológica. Somente o corpo humano é estudado. Muitas vezes, patologias e distúrbios são usados para ilustrar como os órgãos funcionam – assim como fixar um motor de carro substituindo uma peça quebrada nos ajuda a entender como o motor normalmente funciona, assim o estudo de doenças nos ajuda a entender como o corpo humano saudável funciona.
A outra abordagem é ecológica/energética. As funções fisiológicas estão divididas não pelo sistema de órgãos, mas pelo problema – imposto pelo ambiente – que o corpo precisa resolver para sobreviver e reproduzir, por exemplo, o problema da termoregulação (temperatura corporal), osmoregulação (equilíbrio sal/água), locomoção (movimento), resposta ao stress, etc., cada problema utilizando múltiplos sistemas de órgãos. Um aspecto importante desta abordagem é o estudo da forma como o corpo utiliza a energia: a solução é energeticamente óptima? Os indivíduos que resolveram um problema com um mecanismo fisiológico mais eficiente em termos energéticos serão favorecidos pela selecção natural – assim, esta abordagem está também profundamente enraizada num contexto evolutivo. Finalmente, esta abordagem é muito comparativa – o estudo de animais que vivem em ambientes particularmente invulgares ou severos ajuda-nos a compreender a origem e evolução dos mecanismos fisiológicos tanto em humanos como em outros animais.
O livro de texto é invulgarmente bom (para um livro de Biologia Introdutória) na tentativa de fazer a ponte e combinar ambas as abordagens. Infelizmente, não temos tempo suficiente para cobrir todos os sistemas e todos os problemas em detalhes, então vamos nos ater à primeira abordagem, médica e cobrir apenas alguns dos sistemas do corpo humano, mas eu peço que você leia os capítulos relevantes do livro didático para entender os aspectos ecológicos e evolutivos da fisiologia também (para não mencionar alguns exemplos realmente legais de resolução de problemas por corpos animais). Dica: use as perguntas do “Self Test” no final de cada capítulo e se você responder corretamente, você está pronto para o exame.
Comecemos olhando para alguns princípios básicos importantes que dizem respeito a toda a fisiologia. Um desses princípios é o do escalonamento, para o qual você deve ler o folheto que discutiremos na aula da próxima vez. O segundo princípio importante em fisiologia é o fenômeno dos loops de feedback: tanto os loops negativos como os positivos.
O loop de feedback negativo funciona de forma muito semelhante ao gráfico que desenhamos quando discutimos o comportamento. O corpo tem um Sensor que monitoriza o estado do corpo – o ambiente interno (em oposição ao ambiente externo de que falámos quando discutimos o comportamento), por exemplo, os níveis sanguíneos de oxigénio e dióxido de carbono, pressão sanguínea, tensão nos músculos, etc. Se algo no ambiente interno mudar dos valores normais e ótimos, o sensor informa o Integrador (geralmente o sistema nervoso) que inicia a ação (via um Efeito) para trazer o corpo de volta ao seu estado normal.
Assim, um evento A leva à resposta B que leva à contagem e eliminação do evento A. Quase todas as funções do corpo operam como um loop de feedback negativo. Por exemplo, se um hormônio é secretado, juntamente com o efeito funcional desse hormônio, também haverá um disparo de um loop de feedback negativo que irá parar a secreção adicional desse hormônio.
Há muito poucas funções no corpo que seguem um padrão diferente – o loop de feedback positivo. Lá, um evento A leva à resposta B que leva à reiniciação e intensificação do evento A que leva a uma resposta mais forte B…e assim por diante, até que um limiar seja atingido ou o objetivo final seja alcançado, quando tudo volta abruptamente ao normal.
Daremos uma olhada num exemplo do loop de feedback positivo que acontece no sistema nervoso na próxima semana. Por enquanto, vamos listar alguns outros loops de feedback positivo notáveis em humanos.
Primeiro, o mecanismo de coagulação do sangue é uma cascata de reações bioquímicas que funciona de acordo com este princípio. Uma lesão estimula a produção de uma molécula que desencadeia a produção de outra molécula que desencadeia a produção de outra molécula, bem como a produção de mais da primeira molécula, e assim por diante, até que a lesão tenha fechado completamente.
O parto é outro exemplo do ciclo de retroalimentação positiva. Quando o bebê está pronto para sair (e não há como pará-lo neste momento!), ele libera uma hormona que desencadeia a primeira contração do útero. A contracção do útero empurra o bebé para fora um pouco. Esse movimento do bebé estica a parede do útero. A parede do útero contém receptores de alongamento que enviam sinais para o cérebro. Em resposta ao sinal, o cérebro (na verdade a porção posterior da glândula pituitária, que é um crescimento excessivo do cérebro) liberta a oxitocina hormonal. A ocitocina entra na corrente sanguínea e atinge o útero desencadeando a próxima contracção que, por sua vez, move o bebé que estica mais a parede do útero, o que resulta em mais libertação de ocitocina…e assim por diante, até o bebé ser expulso, quando tudo volta ao normal.
Próximo exemplo do ciclo de feedback positivo também está relacionado com os bebés – amamentação. Quando o bebê está com fome, a mãe traz a boca para o mamilo do peito. Quando o bebé se agarra ao mamilo e tenta sugar, isto estimula os receptores no mamilo que notificam o cérebro. O cérebro liberta a oxitocina hormonal da glândula pituitária posterior. A ocitocina entra na corrente sanguínea e estimula a glândula mamária a libertar leite (não para sintetizar o leite – este já está armazenado nos seios). A liberação de leite no mamilo estimula o bebê a mamar vigorosamente, o que estimula ainda mais os receptores no mamilo, de modo que há ainda mais oxitocina liberada da hipófise e ainda mais leite é liberado pela glândula mamária, e assim por diante, até que o bebê seja saciado e desamarre do peito, quando tudo volta ao normal.
Próximo exemplo do ciclo de retorno positivo também está relacionado aos bebês, mas nove meses antes. A copulação – sim, fazer sexo – é um exemplo de um laço de feedback positivo, tanto em fêmeas como em machos. A estimulação inicial dos genitais estimula os receptores tácteis que notificam o cérebro que, por sua vez, estimula a continuação (e aceleração gradual) do movimento, que proporciona uma maior estimulação táctil, e assim por diante, até ao orgasmo, após o qual tudo volta ao normal (não obstante o brilho posterior).
O último exemplo também se aplica às regiões inferiores do corpo. Micturição (micção) também é um laço de feedback positivo. A parede da bexiga urinária é construída de tal forma que existem várias camadas de células. À medida que a bexiga se enche, a parede se estica e estas células se movimentam até que a parede tenha apenas uma única espessura celular. Nesta altura, a micção é inevitável (não pode ser interrompida por controlo voluntário). O início da micção inicia o movimento das células de volta do estado de uma só camada para o estado de várias camadas. Isto contrai ainda mais a bexiga, o que obriga a urinar ainda mais, o que contrai ainda mais a parede da bexiga, e assim sucessivamente até a bexiga ficar completamente vazia novamente e tudo voltar ao normal.
O conceito de ciclos de retorno é essencial para a compreensão do princípio da homeostase. Os mecanismos homeostáticos garantem que o ambiente interno permanece constante e todos os parâmetros são mantidos nos seus níveis ideais (por exemplo, temperatura, pH, equilíbrio sal/água, etc.) ao longo do tempo. Se uma alteração no ambiente (por exemplo, exposição ao calor ou frio) resultar na alteração da temperatura interna do corpo, isto é detectado por termorreceptores no corpo. Isso desencadeia mecanismos corretivos: se o corpo for superaquecido, os capilares da pele expandem-se e irradiam calor e a glândula sudorípara libera suor; se o corpo estiver muito frio, os capilares da pele contraem-se, os músculos começam a tremer, os pêlos ficam em pé (arrepios) e os hormônios da tireóide são liberados, resultando na abertura dos poros das membranas das mitocôndrias nos músculos, reduzindo assim a eficiência da quebra da glicose para a água e dióxido de carbono, produzindo assim o excesso de calor. De qualquer forma, a temperatura corporal voltará ao seu nível ótimo (cerca de 37 graus Celsius), que é chamado de set-point para a temperatura corporal. Cada aspecto do ambiente interno tem seu próprio set-point que é defendido por mecanismos homeostáticos.
Embora essencialmente correto, há um problema com o conceito de homeostase. Um dos problemas com o termo “homeostase” é linguístico: o próprio termo homeostase é enganador. “Homeo” significa “semelhante, igual” e “estase” significa “estabilidade”. Assim, a palavra homeostase (cunhada por Walter Cannon no início do século 20) sugere uma forte e absoluta constância. Imagine que lhe foi dito para desenhar uma representação gráfica do conceito de homeostase em 10 segundos. Sem tempo suficiente para pensar, você provavelmente desenharia algo como isto:
A principal característica deste gráfico é que o set-point é constante ao longo do tempo. Mas não é assim que ele funciona no mundo real. O gráfico acima só é correto se a escala de tempo (no eixo X) se estende apenas de segundos a minutos. Se fosse expandido para horas, dias ou anos, o gráfico estaria errado – a linha não seria mais reta e horizontal. O set point muda de uma forma previsível e bem controlada. Por exemplo, o set-point para os níveis de testosterona no sangue em homens humanos ao longo da vida pode parecer assim:
Isso seria um exemplo de controle de desenvolvimento de um set-point. Em cada momento, esse set-point é defendido por mecanismos homeostáticos, mas o próprio valor do set-point é controlado por outros processos fisiológicos. Outro exemplo de mudança controlada de um set-point pode ser assim:
Este seria um exemplo de um controle oscilatório de um set-point. No início dos anos 80, Nicholas Mrosovsky cunhou um novo termo para substituir ‘homeostase’ e especificamente para denotar mudanças controladas em set-points de todos os valores bioquímicos, fisiológicos e comportamentais – reostase.
A maior parte dos aspectos da fisiologia (e comportamento) exibe reostase, tanto de desenvolvimento como oscilatório (ritmos diários e/ou anuais). Algumas exceções notáveis são o pH do sangue (que tem que ser mantido dentro de uma faixa muito estreita de 7,35-7,45) e os níveis sanguíneos de Cálcio. Se o pH ou os níveis de Cálcio se afastarem demasiado do valor óptimo, as células do corpo (sobretudo as células nervosas, os músculos e as células cardíacas) não podem funcionar correctamente e o corpo está em perigo de morte imediata.
Leituras adicionais:
‘Evolução das necessidades médicas’ por Nesse, Stearns e Omenn
Anteriormente nesta série:
BIO101 – Biologia e o Método Científico
BIO101 – Estrutura celular
BIO101 – Síntese de proteínas: Transcrição e Tradução
BIO101: Interacções Células
BIO101 – De uma célula para duas: Divisão Celular e Replicação de DNA
BIO101 – De duas células para muitas: Diferenciação Celular e Desenvolvimento Embrionário
BIO101 – Dos Genes para os Traços: Como o Genótipo Afeta o Fenótipo
BIO101 – Dos Genes para as Espécies: Uma cartilha sobre a evolução
BIO101 – O que as criaturas fazem: Comportamento Animal
BIO101 – Organismos no Tempo e no Espaço: Ecologia
>
BIO101 – Origem da Diversidade Biológica
BIO101 – Evolução da Diversidade Biológica
BIO101 – Diversidade Biológica Corrente