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ECOFISIOLOGIA: ADAPTAÇÕES A AMBIENTES EXTREMOS§ões a ambientes... · seu ambiente natural e respondem a ele Willmer 2005 Estudos em campo Estudos em laboratório . ... uma população,

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  • ECOFISIOLOGIA: ADAPTAES A AMBIENTES

    EXTREMOS

    Daniela Andrade Ventura & Thiago Matos Prado

  • Daniela Andrade Ventura [email protected]

    Programa de Ps-Graduao em Diversidade Animal

    ECOFISIOLOGIA Adaptaes a Ambientes Extremos

    Thiago Matos Prado [email protected]

    Salvador, 2012

  • LAFISA - Laboratrio de Fisiologia Animal -

    Responsvel

    Prof. Dr. Andr Luis da Cruz

    Colaboradores

    Prof. Dr. Wilfried Klein

    Prof. Dr. Eduardo Mendes da Silva

    Prof. Msc. Jos Amorim dos Reis

  • LAFISA - Laboratrio de Fisiologia Animal -

    Parcerias

    Universidade Federal de So Carlos

    Universidade de So Paulo Campus Ribeiro Preto

    Universidade Autnoma de Campeche, Mxico

    Universidade de Aveiro, Portugal

    MORFOLOGIA E FISIOLOGIA DE VERTEBRADOS Estudos morfolgicos, morfomtricos, fisiolgicos e/ou

    ecofisiolgicos de grupos zoolgicos, com enfoque comparado e/ou isolado

  • LAFISA - Laboratrio de Fisiologia Animal - Daniela Andrade Ventura

    Anlise comparativa da morfofisiologia do sistema respiratrio de Iguana iguana e Tupinambis merianae (Lepidosauromorpha: Squamata)

    Orientador: Wilfried Klein

    Co-orientador: Andr Cruz

    Thiago Matos Prado Histopatologias branquiais como biomarcadores

    de rios impactados

    Orientador: Andr Cruz

  • LAFISA - Laboratrio de Fisiologia Animal -

    Helena Arajo

    Estudo da osmorregulao do peixe Gobionellus oceanicus (Gobiidae) no sistema Suba, Bahia, Brasil.

    Tbata Cordeiro

    Anlise morfofuncional do sistema respiratrio de cgados (Reptilia: Testudine)

    Vanessa Bonfim

    Aspectos fisiolgicos e morfolgicos relacionados com o balano hdrico em Phylodytes luteolus

  • PROGRAMAO

  • O QUE

    FISIOLOGIA?

  • O QUE FISIOLOGIA?

    Estudo dos processos biolgicos que permitem que

    a vida exista e funcione

    (Withers p.2 1992)

  • O QUE FISIOLOGIA?

    ECOSSISTEMAS COMUNIDADES POPULAES ORGANISMOS SISTEMAS RGOS CLULAS ORGANELAS MEMBRANAS MOLCULAS TOMOS

    FISI

    OLO

    GIA

    A

    NIM

    AL

    ECOLOGIA

    FSICO-QUMICA

  • ECOFISIOLOGIA

    Entender como os animais funcionam em seu ambiente natural e respondem a ele

    Willmer 2005

    Estudos em campo

    Estudos em laboratrio

  • Temas centrais na Fisiologia Animal 1. Relao Forma-Funo

    2. Aclimatao, Aclimatizao e Adaptao

    3. Homeostase

    4. Conformao e Regulao

    5. Sistemas de Controle de Feedback

    Eckert 2000

  • Temas centrais na Fisiologia Animal

    1. Relao Forma-Funo

    A funo baseada na estrutura

  • Temas centrais na Fisiologia Animal

    2. Aclimatizao, Aclimatao e Adaptao

    ACLIMATIZAO

    ACLIMATAO

    Exposio a condies novas no ambiente natural nativo

    Exposio a condies induzidas experimentalmente

    em campo ou laboratrio

  • um processo de mudana gentica de uma populao, devido seleo natural (...) uma caracterstica que se tornou predominante em uma populao devido a uma vantagem seletiva

    (p. 578, Futuyma 1992)

    caracterstica que evoluiu para outro uso (ou nenhuma funo) e, mais tarde, cooptada para seu papel atual

    (p. 6, Gould & Vrba 1982)

  • 2. Aclimatizao, Aclimatao e Adaptao

    Processo fisiolgico

    ADAPTATIVO

    Eckert et al. 2000; Hill et al. 2012

    Sobrevivncia Reproduo

    Temas centrais na Fisiologia Animal

  • 3. Homeostase

    Constncia do meio interno

    Bradshaw 2003; Eckert et al. 2000; Hill et al. 2012

    Temas centrais na Fisiologia Animal

    Meio interno

    Comportamento

    Fisiologia

    Mecanismos de controle

    Ambiente

  • 3. Homeostase

    Bradshaw 2003; Eckert et al. 2000; Hill et al. 2012

    Temas centrais na Fisiologia Animal

    Walter Cannon

    os processos fisiolgicos que mantm a maioria dos estados *constantes+ no organismo.

    Claude Bernard

  • HOMEOSTASE

    ESTABILIDADE

    CUSTO

    ENERGTICO

    Hill et al. 2012

  • 4. Conformao e Regulao

    Eckert et al. 2000; Hill et al. 2012

    Temas centrais na Fisiologia Animal

  • Reao do organismo diante da informao sobre uma varivel particular (temperatura, salinidade, pH)

    Temas centrais na Fisiologia Animal

    5. Sistemas de Controle de Feedback

    Eckert et al. 2000; Hill et al. 2012

  • AMBIENTES DE CONDIES EXTREMAS

    Condies fsico-qumicas

    Hill 2012

    Temperatura

    gua

    Oxignio

  • AMBIENTES DE CONDIES EXTREMAS

  • Ambientes Aquticos Hipxicos

    Daniela Ventura e Thiago Prado

  • Hipxia Aqutica

  • Hipxia Aqutica

  • M

    ILH

    E

    S D

    E A

    NO

    S

  • Corpos dgua eutrofizados

  • Corpos dgua temporrios

  • Corpos dgua temporrios

    Lei de Henry

    Presso do gs

    Temperatura do lquido

    Agitao da superfcie do lquido

    Propriedades fsicas da gua

    Baixa solubilidade de oxignio (7ml/1000ml)

    Alta viscosidade e densidade gasto energtico

  • Quais os caminhos do Oxignio?

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    (Mallatt, 1985; Poleksic e Mitrovic-Tutundzic, 1994; Cerqueira e Fernandes, 2002)

    Em peixes:

  • FUNO CARDIO-RESPIRATRIA

    Absoro de oxignio

    Ajustes

    Ventilatrios Cardiovasculares

    Metablicos Branquiais

    OXIGNIO

    Evoluo de estruturas e funes

  • Passos evolutivos

    ABO: Air Breathing Organs

    rgos de Respirao Area

  • Passos evolutivos

  • Transio para o ambiente terrestre

  • Tipos de respiradores areos

  • Diversidade

  • rgos Respiratrios Regio da cabea: cameras bucais, faringeais, branquiais e

    operculares e suas superfcies. Brnquias e derivados.

    Tubo digestivo: esfago, ducto pneumatico, estomago e intestino.

  • As brnquias

    rastros

    filamentos oprculo

    celoma

    esfago

    arcos

    faringe cavidade bucal

    Filamentos com lamelas

  • sangue venoso

  • Passos evolutivos

  • Morfologia interna

    Bomba bucal e variaes

    Ventilao aspiratria

    Ventilao

  • Habitat: Amrica do sul, bacia

    amaznica

    Electrophorus electricus

  • Habitat: sia e frica, rios e

    lagos temporrios.

    Clarias sp

  • Habitat: sia, pntanos e

    alagados.

    Betta sp

  • Habitat: frica e sia,

    manguezais.

    Periophthalmus sp.

  • Respirao cutnea

    Dormitator latifrons

  • Distncia de Difuso (m)

  • Telesteos sem respirao area

    Adaptaes do sistema circulatrio

  • Dipnoi

  • Channa argus

  • Controle cardio-respiratrio

    Quimiorreceptores

    Mecanorreceptores

    Fatores externos

  • Propriedades sanguneas

    Hemoglobina

    Eritrcitos

    Contrao esplnica

  • Mar Profundo Daniela Ventura e Thiago Prado

    90% dos oceanos correspondem a guas mais profundas que 1000 m Regio batipelgica 75% dos oceanos maior habitat da Terra

  • Introduo - Caracterizao Mar profundo (Hessler and Jumars 1974)

    Baixa biomassa

    Alta diversidade

    Fontes hidrotermais

    Descobertas em 1976 Galpagos Ridge

    Elevada biomassa

    Relativamente baixa diversidade de espcies

  • Fontes hidrotermais - Caracterizao

    Condies severas do ambiente

    Abundncia de organismos

    Adaptaes fisiolgicas

    Valores de istopos estveis indicam:

    Elevada biomassa suportada pela produo primria local quimiossinttica

  • Fontes hidrotermais

    Bactrias quimiossintticas

    Vida livre e simbiose

    Oxidam os qumicos reduzidos contidos no fluido hidrotermal (Fe, CH, HS)

    Utilizam O ou nitrato como receptor final de eltrons (Fisher 1995)

  • Introduo Fluido hidrotermal Interao gua do mar com rochas quente

  • Introduo

    Espcies individualmente ocupam diferentes nichos cujas caractersticas variam de acordo com a proporo de

    fluidos hidrotermais

  • Cold-seeps

    1980s - Descoberto no Golfo do Mxico

    Mais de 30 localidades ao redor do mundo

    Habitados por densas comunidades

    Frequentemente apresentam condio de hipxia

    Estudo num stio Brine Pool no Golfo do Mxico O amostrado em mdia 39 mol l (Smith et al. 2000)

  • Cold-seeps

    CH4 H2S Condies especficas de presso e temperatura

  • Desafios

    Condies severas

    Baixo O (Hipxia) ; altos nveis de sulfeto; metais pesados; radioatividade, etc.

    Alta taxa de endemismo (95%) (Tunnicliffe 1991)

  • Adaptaes

    Adaptaes morfolgicas, fisiolgicas e bioqumicas do sistema respiratrio

    Principais grupos estudados

    Crustceos e poliquetas

  • Captao e eliminao de gases

  • Adaptaes extrao de oxignio

    Ventilao

    Renovao da camada de difuso da superfcie do rgo de troca gasosa

    Circulao de contra corrente de gua e sangue nas brnquias

    extrao O

    Mantm uma diferena tima de presso entre os dois lados da barreira de difuso

  • Adaptaes a extrao de oxignio

    Superfcie das brnquias

    A condutncia G a funo da taxa da rea de superfcie sobre a distncia de difuso (m)

    Aumento da extrao de O

    Aumento total da rea de superfcie

    Diminuio da distncia de difuso pelo epitlio

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  • Adaptaes para o transporte de O

    Condutncia para o O tambm depende: Capacitncia Quanto de oxignio pode ser

    transportado por unidade de volume de sangue

    Fluxo sanguneo

    Presena de protenas ligantes de O (PLO)

    Aumentar a freqncia cardaca ou o volume de ejeo pode perfundir os tecidos com mais sangue

  • Protenas ligantes de oxignio (PLO)

    Maioria dos organismos de fontes hidrotermais possuem pigmentos respiratrios

    Aquisio x Armazenamento x Transporte

    Principais propriedades das PLOs:

    Afinidade

    Efeito Bohr acentuado

    P50 baixo

    Adaptaes para o transporte de O

  • Poliquetas

    Brnquias externas

    Pouco controle sobre a ventilao da superfcie branquial pela gua

    Elevada autonomia (>1:30) Hbito de vida

  • Aumento especfico na rea de superfcie em poliquetas de fontes hidrotermais e cold-seeps.

  • Poliquetas Vermes tubculas vestimentiferan

    Falta boca, tubo digestivo e nus

    Necessidade nutricional suprida pela simbiose

    Trofossomo rgo interno bem vascularizado

    Riftia pachyptila

    2 hemoglobinas vascular

    1 celmica

    Com alta afinidade ao O

  • Poliquetas

    Famlia Polynoidae Espcies litorneas desprovidas de brnquias e

    pigmentos

    Espcies fontes hidrotermais e cold-seeps brnquias bem desenvolvidas

    Reduo na distncia de difuso Possibilitada pela utilizao de vasos sanguneos

    intraepidermais encontrados nas brnquias de poliquetas de ambientes hipxicos (Jouin e Gaill 1990; Hourdez et al. 2001)

    Estas extenses no so encontradas em poliquetas tricobrnquios de guas superficiais Terebellides stroemii

  • Poliquetas Alvinellidae (endmica de fontes) e

    Methanoaricia dendrobranchiata (cold-seep)

    Tpica hemoglobina vascular (HBL)

    Alta afinidade O

    Forte efeito Bohr

    Alvinellidae hemoglobina intracelular circulante contida em celomcitos

  • Adaptaes do sistema circulatrio Poliquetas Alvinellidae

    Membrana gular se estende posteriormente envolvendo o esfago e uma bem desenvolvida rede de capilares

  • Crustceos Crustceos decpodes

    Cmara branquial

    Hemocianina (afinidade: regulao lactato x bohr )

    Nenhum dado sobre regulao da taxa de ventilao

    Geralmente:

    Hipxia aguda rpido aumento do fluxo de ventilao

    Exposio crnica lento aumento do fluxo de ventilao

  • Moluscos

    Circulao de gua atravs da cavidade do manto

    Movimento dos clios na superfcie das brnquias

    rea de superfcie elevada

    Bivalves: controle eficiente da ventilao

    Gnero Calyptogena Molculas ricas em zinco para transportar o sulfeto

    Sistema digestivo reduzido

  • Lidando com sulfeto O e sulfeto variam inversamente Enzimas do metabolismo anaerbico Sulfeto envenena a cadeia mitocondrial de

    transferncia de eltrons e hemoglobinas Bactrias simbitica e sulfeto Molculas ligantes de sulfeto

    Methanoaricia dendrobranchiata (poliqueta) o tempo de sobrevivncia em anoxia varia com a concentrao de sulfeto

    Riftia pachyptila (poliqueta) possui hemoglobina com stio distinto para transportar o sulfeto para bactrias

    Arenicola marina (poliqueta), Solemya reidi e Geukensia demissa (bivalves) oxidam o sulfeto na mitocondria = ATP

  • Mar profundo: Estratgias para alimentao

    Fontes hidrotermais: Simbiose => Reduo do sistema digestivo

    Escassez de presas => Metabolismo reduzido

    Aparato bucal muito maior em relao ao tamanho corporal

    Estratgia Senta e espera

    Utilizao de iscas

    Migraes noturnas

  • Olfato bem desenvolvido

  • Mar Profundo - Estratgias Reprodutivas

    totalmente parasita encontra por olfato boca funde-se pele apenas testculos permanecem 5 famlias

    Ceratioidea peixe-pescador 11 famlias e ~110 spp

  • Chauliodus sp.

    Phrynichthys wedli

    Eurypharynx pelecanoides

  • Olhos muito grandes... Mesopelgica zona crepuscular Olhos tubulares

    Winteria

  • ...ou muito pequenos

    Diceratias

    Zona batipelgica

  • dragonfish Melanostomias

    Phrynichthys wedli

    Peixe Lanterna

    Bioluminescncia Luciferina (o combustvel)

    Luciferase (o catalisador)

    Bactrias simbiticas

    Anomalops katoptron

  • Bioluminescncia - Fotforos

    Disfarar a silhueta

    Comunicao

  • Presso e Sustentao

    1 atm a cada 10m de profundidade

    Baixa compresso de lquidos e alta compresso de gases

    Ausncia de bexiga natatria ou rgos de armazenamento de gs

    Reduo da densidade ssea e do esqueleto

    Plasma em telesteos menos denso

    Uso de lipdeos

  • Res

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