Biologia e Geologia UNIDADE 0 Biosfera é a parte a Terra habitada pelos seres vivos. Ecossistema é formado pelo conjunto de todos os organismos, de uma determinada área geográfica, e pelas interações que esses organismos estabelecem entre si e o meio abiótico (água, luz, solo e temperatura) que os rodeia, ou seja, é o conjunto de organismos que vivem numa determinada área e às interações que se estabelecem entre todos os seres vivos e entre eles e o ambiente. A todos os organismos de todas as espécies que habitam uma determinada comunidade. Uma comunidade é formada por populações. Uma população é um grupo de indivíduos de uma determinada espécie. Espécie é o conjunto de organismos com características morfológicas semelhantes, capazes de se reproduzirem e originar descendência fértil. Habitat Ecossistema Nicho ecológico Biocenose Espécie Biótopo Fatores abióticos Populações Temperatura Luz Fatores bióticos Humidade Intraespecíficas Relações que seres vivos da mesma espécie estabelecem entre si. Interespecíficos Relações que os seres vivos de espécies diferentes estabelecem entre si. Composição do substrato (solo) A Terra é um sistema aberto, pois, além das trocas de energia através da receção de energia solar e da emissão de radiação terrestre para o espaço, recebe também a entrada de matéria através do “bombardeamento” constante de micropartículas siderais, de meteoros e meteoritos. Biodiversidade é o conjunto de todos os organismos vivos, que povoam o nosso planeta desde os microrganismos aos grandes Cetáceos. ECOSSISTEMA = COMUNIDADE BIÓTICA + BIÓTOPO Biótopo é a área ocupada por um conjunto de seres vivos de um ecossistema. Comunidade Biótica é o conjunto de todos os seres vivos. Espécie é um grupo de seres vivos muito semelhantes, capazes de se reproduzirem entre si e de originarem descendentes férteis. População é o conjunto de seres vivos da mesma espécie que habitam um determinado biótopo, num determinado período de tempo. Habitat é o meio apropriado para a vida normal de uma população. Em qualquer ecossistema (floresta, lago, oceano…) os seres vivos apresentam-se ligados por um conjunto complexo ou não de relações tróficas (alimentares), que podem ser representadas sob a forma de cadeias alimentares. Conjunto de cadeias alimentares é uma rede trófica. Os produtores fabricam matéria orgânica a partir de matéria mineral captando a energia radiante que utilizam durante o processo fotossintético. Os consumidores alimentam-se direta ou indiretamente dos produtores. Os decompositores transformam os detritos vegetais e os cadáveres e os excrementos dos animais, assegurando um retorno ao mundo mineral de substâncias contidas na matéria orgânica. 1 Seres vivos unicelulares são constituídos por uma única célula, a qual corresponde ao organismo. Seres vivos pluricelulares são constituídos por vários tipos especializados de células, verificando-se divisão de trabalhos entre elas. Existem dois tipos de células no que respeita à sua organização estrutural: Células eucarióticas: Membrana celular limite externo da célula e regula a passagem de materiais entre a célula e o seu meio. Núcleo individualizado por m invólucro nuclear, é a região na qual se encontra o X e que regula toda a atividade celular. Citoplasma região localizada entre o núcleo e a membrana celular. Possui uma variedade de organelos delimitados por membranas. 2. Células procarióticas: Não possuem invólucro nuclear, logo não têm verdadeiro núcleo. Citoplasma é o seu interior. São muito mais simples que as eucarióticas, não possuem organelos citoplasmáticos delimitados por membranas. 1. Membrana celular: todas as células possuem na parte externa uma membrana celular fina e dinâmica também chamada de membrana plasmática. Regula o fluxo de materiais entre a célula e o meio exterior. Citoplasma: massa semifluida, aparentemente homogénea. Mitocôndrias: são a sede de importantes fenómenos respiratórios. Podem mudar de posição devido aos movimentos do citoplasma. Complexo de Golgi: não é geralmente visível na célula viva. Apresenta-se ao microscópio ótico que sob a forma de corpúsculos isolados, quer sob a forma de uma rede contínua. Vacúolos: cavidades delimitadas por uma membrana e que contêm geralmente água com substâncias dissolvidas, absorvidas pela célula ou elaborada por ela. São pequenos e numerosos nas células animais e nas células jovens das plantas. Nestas vão aumentando com a idade, acabando por fundir-se num único vacúolo que ocupa quase toda a cavidade celular. Cílios e flagelos: organelos locomotores. Cílios são finos e numerosos enquanto que os flagelos são longos e geralmente em pouco numero. Numa célula só há um tipo de organelo locomotor. Cloroplastos: organelos geralmente ovoides que contêm pigmentos fotossintéticos (clorofilas). É neles que se realiza a fotossíntese. Núcleo: é um organelo delimitado pelo invólucro nuclear e, normalmente, dentro do mesmo são visíveis um ou mais corpúsculos brilhantes, os nucléolos. Parede celular: existe nas células das plantas, exteriormente à membrana plasmática. É de natureza celulósica que pode alterar a sua composição. Os cloroplastos e a parede celular são características das células vegetais e os vacúolos parecem mais nas mesmas também. Os constituintes inorgânicos dos seres vivos são a água e os sais minerais. São de origem mineral e provêm do meio físico externo. As moléculas orgânicas são as proteínas, os hidratos de carbono, os lípidos e os ácidos nucléicos. São compostos onde existe carbono ligado covalentemente com o hidrogénio. São responsáveis pelas propriedades das células vivas. Os fosfolípidos são compostos celulares muito importantes com função estrutural, principalmente ao nível das membranas biológicas. São constituídos por carbono, hidrogénio, oxigénio, fósforo e azoto. São moléculas polares. A parte da molécula formada pelo resíduo de glicerol, pelo ácido fosfórico e pelo composto R é hidrofílica (CABEÇA), solúvel na água, e constitui a zona carregada eletricamente, designando-se por região polar do fosfolípido. A outra zona constituída pelas cadeias hidrocarbonadas dos ácidos gordos, eletricamente neutra, é hidrofóbica (PERNAS), insolúvel na água, e constitui a zona não polar dos fosfolípidos. Moléculas como as dos fosfolípidos, que possuem zona hidrofóbica e outra hidrofílica, denominam-se anfipáticas. 2 Fazem parte da membrana plasmática, formando uma bicamada fosfolipidica (lipidos complexos com um grupo fosfato). Os glicolípidos também podem fazer parte da membrana (lipidos com glícidos). Ambos são moléculas anfipáticas. UNIDADE 1 Heterotróficos são organismos que obtêm matéria orgânica e não orgânica a partir do seu meio exterior, alimentando-se de outros organismos ou de produtos sintetizados por outros organismos e fazem-no por ingestão, absorção e digestão. Por ingestão, os seres vivos obtêm alimento a partir do meio externo e introduzem-no no organismo. A digestão transforma as moléculas complexas do alimento em moléculas simples. A absorção é a passagem das moléculas simples do meio externo para o meio interno. Nos seres vivos unicelulares, a absorção de substâncias simples ocorre diretamente através da membrana celular. Nos pluricelulares as moléculas complexas sofrem digestão, sendo transformadas em moléculas simples capazes de serem absorvidas para o meio interno. Nas células, os nutrientes são utilizados como fonte de energia e na síntese de biomoléculas. Existe um movimento de substâncias através da membrana plasmática (separa a célula do seu meio envolvente e controla o movimento de substâncias). Ela tem permeabilidade seletiva, ou seja, deixa-se atravessar facilmente por determinadas substâncias e dificulta ou impede a passagem de outras. Segundo o modelo do mosaico fluido (Singer e Nicholson, 1972), a membrana citoplasmática é constituída por: Bicamada fosfolipídica Proteínas (inserem-se na camada fosfolipídica. Podem ser proteínas integradas ou proteínas periféricas) Colesterol (Localiza-se entre as moléculas de fosfolípidos, nas membranas das células animais.) Glicoproteínas e glicolípidos (restritos à face externa da membrana). Segundo este modelo, a membrana citoplasmática é uma estrutura fluida na qual as moléculas não ocupam posições rígidas. Os fosfolípidos e as proteínas podem ter movimentos de difusão lateral, no plano da membrana. Mas existem outros tipos de movimentos através da membrana citoplasmática como: Transporte passivo Transporte ativo A favor do gradiente de concentração. Sem gasto de ATP Contra o gradiente de concentração. Gasto de ATP Movimento da água do Movimento do soluto do meio onde Movimento do soluto do meio onde está meio hipotónico para o está mais concentrado para o meio menos concentrado para o meio onde meio hipertónico. onde está menos concentrado. está mais concentrado. Osmose Difusão simples Difusão facilitada Transporte não mediado Transporte mediado Sem a intervenção de proteínas Intervenção de proteínas transportadoras transportadoras O movimento da água através da membrana citoplasmática provoca variações de volume das células quando são colocadas num meio com diferente concentração de soluto: Meio hipotónico: movimento da água para dentro da célula turgescência Meio hipertónico: movimento da água para fora da célula plasmólise Em meio fortemente hipotónico pode ocorrer lise celular. As células vegetais sofrem alterações no tamanho dos vacúolos. A presença de parede celular impede a lise em meio hipotónico. Quando a concentração de soluto dos dois lados da membrana se iguala, os meios tornam-se isotónicos. Endocitose Exocitose Transporte de macromoléculas ou partículas, do exterior para o Secreção de macromoléculas interior da célula, em vesículas formadas pela membrana para o meio extracelular em citoplasmática vesículas que se fundem com a membrana citoplasmática Fagocitose Pinocitose Partículas de grandes Captação pela célula de fluido 3 dimensões são captadas pela extracelular, emissão de pseudópodes. dissolvidos. com solutos As substâncias que entram e saem da célula são processadas no meio interno por um conjunto de organelos relacionados do ponto de vista estrutural e funcional. Retículo endoplasmático (rugoso e liso). Síntese de proteínas e lípidos. Complexo de Golgi Modificação, armazenamento, seleção e exportação de substâncias. Lisossomas Digestão intracelular Vesículas golgianas Secreção de substâncias pela célula A ingestão consiste na introdução de alimentos no organismo. A digestão é o processo de transformação de moléculas complexas dos alimentos em moléculas mais simples e ocorre em compartimentos especializados, no interior ou no exterior da célula. Digestão intracelular ocorre em vacúolos digestivos, que resultam da fusão de vesículas endocíticas com lisossomas. O alimento é captado por fagocitose ou pinocitose. Digestão extracelular ocorre fora das células, em compartimentos que fazem parte do meio externo. Processa-se em tubos digestivos incompletos (com uma única abertura) ou em tubos digestivos completos (com duas aberturas). A absorção é o processo de passagem das substâncias resultantes da digestão para o meio interno. Os seres autotróficos sintetizam matéria orgânica, recorrendo para isso a diferentes fontes de energia. A maioria produz matéria orgânica a partir de matéria mineral, por um processo que utiliza como fonte de energia o Sol – fotossíntese (via biossintética pela qual se obtém a maior quantidade de matéria orgânica a partir da matéria mineral. Os seres fotossintéticos captam do meio água e dióxido de Carbono. A partir destas substâncias sintetizam matéria orgânica graças à energia luminosa). Os organismos que realizam este processo designam-se por seres autotróficos fotossintéticos ou fotoautotróficos, de que são exemplo as plantas, as cianobactérias e as algas. Contudo, existem alguns seres autotróficos que, em vez de energia luminosa, utilizam a energia química proveniente da oxidação de compostos inorgânicos (como a amónia, enxofre e ferro…) para a síntese de matéria orgânica a partir de matéria inorgânica. Estes seres designam-se por seres autotróficos quimiossintéticos ou quimiautotróficos e o processe que realizam é o denominado quimiossíntese. Todos os seres quimiautotróficos são bactérias. A energia luminosa ou energia química dos compostos orgânicos não pode ser utilizada diretamente pela célula. Parte dessa energia é transferida para uma fonte de energia química que é diretamente utilizável, designada por ATP (adenosina trifosfato). São a forma comum de circulação de energia na célula. A luz é uma forma de energia eletromagnética. A energia luminosa é captada por pigmentos fotossintéticos (clorofilas (a, b, c, d), carotenoides (carotenos (laranja), xantofilas (amarela))) que se encontram nos cloroplastos. Quando os pigmentos fotossintéticos absorvem luz, os seus eletrões passam para níveis de energia superiores e são cedidos a moléculas aceptoras. Ocorrem reações oxidação-redução. A fotossíntese compreende duas fases: 1. Fase fotoquímica, a fase 1, em que a energia luminosa é captada e utilizada para produzir ATP. É preciso água e liberta-se oxigénio para o exterior. Produz-se também NADPH+H+. Ocorre nos tilacoides. Primeiro acontece a fotólise da água (em presença da luz há a dissociação da molécula da água em oxigénio, que se liberta, e em hidrogénio. A água é o dador primário de eletrões), e depois a oxidação da clorofila a que fica excitada pela energia luminosa emitindo eletrões. O fluxo de eletrões através de cadeias de transportadores, ao longo dos quais o nível energético dos eletrões vai baixando, permitindo a fotofosforilação do ADP devido às transferências de energia que ocorrem nas reações de oxirredução. E por fim acontece a redução do NADP+ pela junção de protões provenientes da fotólise da água com os eletrões do fluxo da cadeia de transportadores dando origem ao NADPH. 4 2. Fase química, correspondente ao ciclo de Calvin. Esta fase não depende da luz, o ATP formado e o hidrogénio proveniente da dissociação da água são utilizados para converter o dióxido de carbono absorvido em compostos orgânicos como a glicose. Inicia-se pela combinação de dióxido de carbono com um composto de 5átomos de carbono, a ribulose difosfato, originando um composto instável com 6 átomos de carbono. Este composto desdobra-se imediatamente em duas moléculas de ácido fosfoglicérico (PGA), com 3 átomos de carbono cada uma. O composto formado é fosforilado pel ATP e reduzido pelo NADPH, dando origem a um composto, o aldeído fosfoglicérico (PGAL), igualment com 3 átomos de carbono, o qual vai seguir dois caminhos diferentes: uma parte vai intervir na regeneração do composto com 5 carbonos, ribulose difosfato (RuDP); o resto é utilizado para diversas sínteses no estroma como a síntese de glicose. Produtos finais: glicose, RuDP, NADP+, ADP+P. Ocorre no estroma pois é ai que se encontram as enzimas catalisadoras. 12 H2O + 6 CO2 C6H12O6 + O2 + 6 H2O Clorofilas (a,b,c,d) dão a cor verde, carotenoides xantofilas dão a cor amarela e os carotenoides carotenos dão a cor vermelha. A cor que nós vemos, é o comprimento de onda refletido. Todos os outros comprimentos de onda são absorvidos. Estes pigmentos encontram-se nos tilacoides, parte da membrana interna do cloroplasto. Estes tilacoides estão mergulhados no estroma, material amorfo parecido ao citoplasma. Um conjunto de tilacoides é um granum e um conjunto de granuns chama-se grana. O CO2 necessário para se realizar a fotossíntese entra pelo estoma. A quimiossíntese também compreende duas fases: 1. 1º Etapa – oxidação de substratos minerais com formação de ATP e NADPH. 2. 2º Etapa – redução do dióxido de carbono, à custa do NADPH e ATP produzidos na 1º etapa, e formação de compostos orgânicos. UNIDADE 2 Estomas são estruturas localizadas na epiderme das folhas e dos caules e constituídas por duas células em forma de rim, as células guarda, que delimitam uma abertura central, o ostíolo, o qual comunica com um espaço interior, a câmara estomática. Pelos estomas ocorrem as trocas gasosas indispensáveis à realização da fotossíntese e a evaporação de grandes quantidades de água, que se designa transpiração. Para sua sobrevivência, os seres vivos necessitam de inúmeras substâncias (moléculas e iões) que têm de ser transportados a cada uma das células que os constituem. Os seres vivos simples não necessitam de sistemas de transporte especializados, ao contrário dos organismos mais complexos, como por exemplo as plantas terrestres. Estes organismos desenvolveram para além de um sistema condutor, um sistema radicular que lhes permite absorver água e sais minerais. O sistema condutor é formado por dois tipos de tecidos: xilema e floema. O fluido xilémico é constituído essencialmente por água e sais minerais (seiva bruta), enquanto o fluido floémico, ou seiva elaborada, transporta água, sais minerais e compostos orgânicos sintetizada durante a fotossíntese, principalmente açucares. Designa-se por translocação quer a circulação de fluidos de célula para célula, quer a circulação entre os órgãos das plantas. O xilema leva a água e sais minerais desde a raiz até ao resto da planta; é constituído por células mortas que possuem paredes espessamente lenhificadas e estão dispostas verticalmente, de topo a topo, desaparecendo as paredes transversais. O floema é constituído por células vivas, de paredes finas, que formam tubos crivosos, e apresentam as paredes transversais perfuradas – placas crivosas – de forma a permitirem a passagem de seiva elaborada, (nutrientes), que transportam desde as folhas até todas as partes da planta. As raízes têm feixes condutores simples e alternos, isto é, constituídos apenas por um dos tecidos condutores, xilema ou floema, e esses feixes estão colocados alternadamente. O número de feixes condutores é variável. Os caules têm os feixes condutores duplos e colaterais, pois cada feixe possui xilema e floema e estes tecidos estão colocados lado a lado. O floema situa-se na parte externa do feixe e o xilema na parte interna. Nas folhas os feixes condutores são duplos e colaterais, estando o xilema voltado para a página superior. 5 As plantas absorvem a água, contendo sais minerais, que se encontram no solo através do sistema radicular; a absorção faz-se ao longo de toda a raiz, particularmente na zona pilosa, onde existem pelos radiculares (células epidérmicas com prolongamentos), que aumentam consideravelmente a superfície de absorção. Dentro das células da raiz é maior a concentração de soluto do que no exterior, havendo, pois, maior potencial de água no exterior do que no interior das células epidérmicas. Assim, a água tende a entrar na planta por osmose, movendo-se do exterior para dentro da raiz, até atingir os vasos xilémicos. A água é absorvida por osmose e também por transporte ativo; a maior parte dos minerais é absorvida com gasto de energia, mas também por difusão. A quantidade de água absorvida depende da sua quantidade disponível no solo, do arejamento, da temperatura do solo, da concentração da solução do solo e da taxa de transpiração. A água disponível vai diminuindo à medida que as plantas a vão utilizando; apesar disso, os solos encharcados não são propícios à absorção, uma vez que o sistema respiratório da planta é afetado por estes serem pouco arejados; logo não se forma energia suficiente para o transporte ativo. Também as temperaturas baixas e as concentrações elevadas de iões em solução no solo dificultam a absorção; as temperaturas elevadas (moderadamente) facilitam a absorção. Ao chegarem ao xilema, a água e os sais minerais são transportados até às folhas. Existem duas teorias para explicar este movimento ascendente. Teoria de pressão radicular Esta teoria baseia-se no facto de existir uma pressão radicular. A pressão é condicionada pelo transporte de ativo de iões que são lançados no xilema, o que provoca uma maior concentração de iões no interior da raiz do que no solo. Origina-se então uma diferença de pressão osmótica que força a entrada de água na raiz e a sua ascensão nos vasos xilémicos. Apesar de importante na condução da água ao xilema, este processo não é suficiente para forçar a água a subir a grandes alturas. Teoria da tensão-coesão-adesão Esta teoria explica a ascensão do fluido xilémico do seguinte modo: a água evapora-se das células do mesofilo das folhas, por transpiração, o que provoca uma queda de potencial hídrico. O conteúdo celular torna-se mais concentrado e a água das células do xilema que estão próximas (ou de outras células vizinhas) ocorre às células do mesófilo. As folhas exercem uma força de sucção ao longo da coluna de xilema, designada por tensão. Entre as moléculas de água existe uma forte atração ou coesão (união de células idênticas); então, sujeitas à tensão, começam a deslocar-se. As moléculas de água arrastam consigo outras moléculas de água, o que resulta numa coluna contínua de água e sais minerais no xilema desde a raiz até às folhas. Para além da coesão, a coluna é também conseguida devido à adesão (atração e união de moléculas diferentes) das moléculas de água às paredes dos vasos xilémicos, e auxiliada pela ação de capilar deste, que faz a água subir quando se encontra num tubo estreito. Resumindo, o movimento do fluido xilémico deve-se à pressão radicular, à capilaridade (adesão e coesão) e à transpiração. A transpiração é um processo em que a planta perde água sobre a forma de vapor e dá-se principalmente nos estomas das folhas. O índice de transpiração de uma planta depende nomeadamente da temperatura, da humidade, do ar, do vento e da luz e também do número de estomas. A luz causa a abertura dos estomas, permitindo um rápido consumo de CO2, logo quanto maior a intensidade luminosa, maior a transpiração. Do mesmo modo, valores baixos de humidade e temperaturas elevadas, aumentam a perda de água. Todas as plantas conseguem controlar o seu índice de transpiração, abrindo ou fechando os estomas. Estes são constituídos por duas células estomáticas que deixam uma abertura entre si, chamado ostíolo, e são especializados nas trocas gasosas com o meio. O abrir ou fechar dos estomas é causado pela presença ou ausência de luz, respetivamente; este fenómeno é também condicionado pela concentração de CO2 (baixas concentrações abrem os estomas) e pela disponibilidade de água no solo (quando baixa, fecha os estomas). Várias experiências sugerem que os estomas abrem e fecham devido a um fluxo de iões potássio das células da epiderme para as células estomáticas, desencadeado pela luz, e realizado através de transporte ativo. Os iões acumulam-se nos vacúolos das células estomáticas, aumentando a pressão osmótica; a água entra por osmose e os estomas abrem devido ao intumescimento das células; na ausência de luz, passa-se o contrario. No caso do fluido floémico, e como não é possível o estudo direto, utilizam-se estudos indiretos, tais como a aplicação de materiais radioativos na raiz ou nas folhas, o uso de afídeos (insetos que se alimentam do fluido floémico) e a remoção do anel de Malpigi desde a casca até ao cilindro central. 6 Os estudos sob a translocação do fluido floémico indicam que: essa translocação é feita sobre pressão; que uma grande quantidade de fluido atravessa rapidamente através de cada célula; que existe um gradiente de concentração de açúcar entre as folhas (produtores) e os outros órgãos (raiz e caule); que o transporte floémico é bidirecional, ou seja, ascendente e descendente. O modelo mais aceite para explicar este transporte designa-se por hipótese de Munch, do fluxo de massa ou do fluxo sobre pressão. . Nas plantas não se verifica o equilíbrio de concentrações uma vez que os açúcares são produzidos num local. Segundo o modelo do fluxo de massa, o fluido floémico desloca-se das regiões de concentração mais elevada, órgãos fotossintéticos, para as zonas de menor concentração (menor pressão osmotica). O fluido floémico é transportado, aumentando a pressão osmotica no floema; a água entra nas células do floema por osmose. Nos órgãos consumidores são utilizados ou armazenados, logo a pressão osmotica baixa, provocando saída de água do floema por osmose. Verifica-se então um movimento da água e dos açúcares nela dissolvidos das zonas de pressões elevadas para as zonas de pressões baixas. Embora seja o mais aceite, este modelo deixa ainda alguns pontos por explicar. Em todos os animais, as células estão rodeadas por um fluido intersticial, com o qual estabelecem trocas de materiais. Nos animais mais simples, todas as células estão relativamente próximas do meio externo e o intercâmbio de substâncias realiza-se por difusão simples. Para ultrapassar algumas dificuldades como o tempo que demoraria a chegada da glicose no intestino ao cérebro se utilizássemos aquele processo, existe órgãos especializados no transporte de substâncias nos organismos: Um fluido circulante (ex. sangue) Um órgão propulsor do sangue (geralmente o coração) Um sistema de vasos ou espaços por onde o fluido circula. O coração fornece energia para a circulação. O sangue sai do coração pelas artérias. As artérias ramificamse e distribuem o sangue pelos órgãos ao nível das redes capilares onde ocorre trocas entre o sangue e o fluido intersticial que banha diretamente a células, a linfa. As redes de capilares confluem e o sangue regressa ao coração por veias. Sistema circulatório aberto: Nos insetos o aparelho circulatório é constituído por um vaso dorsal que possui pequenas dilatações na região abdominal (corações), que impulsionam o líquido circulatório para a região anterior do corpo, de onde flúem para cavidades designadas por lacunas. Essas cavidades cheias de líquido estão em contacto com as células do corpo do animal e constituem o hemocélio. As dilatações do vaso dorsal, na região do abdómen, constituem um coração em forma de tubo. Cada dilatação comunica com o exterior por aberturas laterais, os ostíolos. Quando os corações se contraem, os ostíolos fecham e o sangue é bombeado para a parte anterior do corpo, de onde fluí para as lacunas. Quando os corações relaxam, os ostíolos abrem, criando um vácuo no interior do vaso dorsal, que produz uma força de sucção que obriga o líquido a regressar ao coração. Neste tipo de aparelho circulatório o sangue sai do interior dos vasos e mistura-se com o líquido intersticial que circunda as células. Sistema circulatório fechado: O sangue circula no interior de vasos e é distinto do fluido intersticial. Um ou mais corações bombeiam o sangue para grandes artérias que se ramificam. Ao nível dos capilares ocorrem trocas de materiais, por difusão, entre o sangue e o fluido intersticial que banha as células. Circulação simples coração com duas concavidades: uma aurícula e um ventrículo. No coração circula apenas sangue venoso. O sangue percorre um trajeto único, passando uma vez pelo coração. Existe nos peixes. O sangue venoso vindo dos diferentes órgãos entra na aurícula. A contração auricular impele o sangue para o ventrículo, cuja contração faz progredir o sangue para as brânquias. É nas brânquias que o sangue é arterializado, passando depois à aorta dorsal, que se ramifica pelo corpo todo. Durante a circulação, o sangue passa em duas redes de capilares, uma ao nível das brânquias e outra ao nível dos diferentes órgãos. A pressão sanguínea diminui quando o sangue passa pelos capilares das brânquias e, consequentemente, o sangue arterial que se dirige das brânquias para os outros órgãos flui mais lentamente sob baixa pressão Circulação dupla incompleta Coração com três concavidades: duas aurículas e um ventrículo. O sangue percorre dois trajetos diferentes, passando duas vezes pelo coração. Há mistura parcial de sangue venoso e arterial no ventrículo. Existe nos anfíbios. Na aurícula direita entra sangue venoso vindo dos 7 diferentes órgãos e na aurícula esquerda entra sangue arterial que regressa aos pulmões. Por contração das aurículas, o sangue passa para o único ventrículo. Os anfíbios como têm circulação dupla apresentam: circulação pulmonar (o sangue sai do ventrículo, vai aos pulmões, onde é oxigenado, regressando à aurícula esquerda pelas veias pulmonares – PEQUENA CIRCULAÇÃO) e circulação sistémica (o sangue sai do ventrículo e dirige-se para todos os órgãos, regressando venoso à aurícula direita – GRANDE CIRCULAÇÃO) Circulação dupla e completa Coração com quatro concavidades: 2ventrículos e 2 aurículas. O sangue percorre dois trajetos diferentes, passando duas vezes pelo coração. Não há mistura de sangue venoso e arterial. Existe nas aves e nos mamíferos. A função do coração é gerar pressão, que condiciona o fluxo sanguíneo através dos vasos. As válvulas que nele existem determinam o sentido do fluxo sanguíneo, evitando o retrocesso do sangue no sistema. Os movimentos rítmicos de contração e de relaxamento do coração, sístole e diástole, respetivamente, provocam diferenças de pressão responsáveis pela circulação do sangue. UNIDADE 3 O conjunto de reações que ocorrem no interior das células de qualquer ser vivo constitui o metabolismo celular. Anabolismo conjunto de reações químicas onde há síntese de moléculas complexas a partir de moléculas mais simples, com consumo de energia, ou seja, as moléculas simples são transformadas em moléculas complexas com consumo de energia. São reações endoenergéticas pois as moléculas sintetizadas são mais energéticas do que as que lhe deram origem. Catabolismo conjunto de reações químicas onde há degradação de moléculas complexas m moléculas sucessivamente mais simples, com libertação de energia. Por estes processos a energia acumulada em moléculas orgânicas, como por exemplo a glicose, é utilizada na síntese de moléculas de ATP. São reações exoenergéticas porque os produtos são mais pobres em energia do que os reagentes. As principais vias catabólicas que permitem transferir a energia contida nos compostos orgânicos para moléculas de ATP são a fermentação e a respiração aeróbia. Em ambos os processos ocorrem reações de oxidação redução e os eletrões são transportados por coenzimas até um acetor final. A fermentação ocorre no hialoplasma das células, na ausência de oxigénio. A degradação dos compostos orgânicos é parcial e o rendimento energético é baixo. Os seres vivos que utilizam a fermentação como único processo de obtenção de energia designam-se anaeróbios. Primeiro ocorre a glicólise, processo no qual a glicose é transformada em ácido pirúvico e acontece no hialoplasma por nele se encontrarem as enzimas catalisadoras. Durante a glicólise, uma molécula de glicose, composto por 6 carbonos, é desdobrada em duas moléculas de ácido pirúvico, composto por 3 carbono. Neste processo ocorre reações de oxido-redução onde compostos intermediários da glicólise ficam oxidados, por remoção de hidrogénios. Esses hidrogénios vão reduzir moléculas transportadoras de hidrogénios chamados NAD+, as quais se transformam em NADH. São consumidas 2 moléculas de ATP para ativar a glicose mas são formados 4 ATP, logo, o rendimento energético da glicose é de 2 ATP. Depois ocorre a redução do ácido pirúvico que se pode efetuar por fermentação alcoólica ou por fermentação láctica: Fermentação alcoólica – após a glicólise, o ácido pirúvico, composto por 3 C, experimenta uma descarboxilação, libertando-se CO2 e originando um composto com 2C, aldeído acético, o qual, por redução, origina etanol composto por 2C. Essa redução é devida a uma transferência de hidrogénios do NADH formado durante a glicólise, o qual fica na sua forma oxidada, o NAD+, podendo ser de novo reduzido. O rendimento energético é de 2 ATP formados durante a glicólise. Grande parte da energia da glicose permanece no etanol, composto orgânico altamente energético. Glicose 2 etanol + 2ATP + 2 CO2 Fermentação láctica – após a glicólise, o ácido pirúvico experimenta uma redução ao combinar-se com o hidrogénio transportado pelo NADH que se forma durante a glicólise. Origina-se, assim, ácido láctico composto com 3C, tendo sido reciclado o NAD+, livre para outras reações de oxirredução. O rendimento energético é de 2ATP sintetizados durante a glicólise. Tal como o etanol, o ácido láctico é uma molécula orgânica rica em energia. 8 A respiração aeróbia, ao contrário da fermentação, permite a degradação total da molécula de glicose com maior rendimento energético. Nos organismos eucariontes, parte deste processo ocorre dentro das mitocôndrias que são constituídos por duas membranas, uma externa e outra interna. A membrana interna forma uma série de pregas, as cristas mitocondriais. A parte central é ocupada por um material indiferenciado, a matriz. Primeiro acontece a glicólise, etapa comum à fermentação, no hialoplasma. As moléculas de ácido pirúvico que entram na mitocôndria ao nível da matriz são oxidadas (perdem e-) e descarboxilizadas (libertam CO2). Durante o ciclo de Krebs ocorrem descarboxilações e oxidações de diversos compostos. Os hidrogénios removidos vão reduzir moléculas transportadoras de hidrogénios, como por exemplo o NAD+, constituindose moléculas com um elevado nível energético, como o NADH. Efetua-se ainda a síntese de 2moléculas de ATP por cada molécula de glicose degradada. Pode então afirmar-se que, após as reações que ocorrem na matriz das mitocôndrias e por cada molécula de glicose, o rendimento energético, em termos de moléculas de ATP, é de 4 ATP: duas como resultado da glicólise, no hialoplasma, e duas na matriz mitocondrial. Uma molécula de glicose permite a realização de dois ciclos de Krebs, uma vez que a sua degradação origina duas moléculas de ácido pirúvico. A última etapa é a cadeia transportadora de eletrões ou cadeia respiratória que ocorre nas cristas mitocondriais, onde se encontram transportadores proteicos com diferentes graus de afinidade para os eletrões. As moléculas de NADH e de FADH2, anteriormente formadas, transferem os eletrões que transportam para as proteínas da cadeia transportadora de eletrões. Ao longo da cadeia respiratória ocorre libertação gradual de energia, à medida que os eletrões passam de um transportador para outro. Esta energia libertada vai ser utilizada na síntese de moléculas de ATP, a partir de ADP+Pi, dissipando-se alguma sobre a forma de calor. Cada molécula de NADH permite a síntese de três moléculas de ATP, enquanto que a molécula de FADH2 apenas permite a síntese de duas moléculas de ATP. No final da cadeia transportadora, os eletrões são transferidos para um aceitador final – o oxigénio, que capta dois protões H+, formando-se uma molécula de água. O balanço energético da respiração aeróbia é de 36 ou 38 moléculas de ATP. Etapas Glicólise Formação de Acetil-CoA Ciclo de Krebs Cadeia respiratória Rendimento energético ou 38 ATP Consumo ATP 2 ATP de Produtos 4 ATP 2NADH (2 FADH ou 2 NADH) 2CO2 2 NADH 4 CO2 2 ATP 6 NADH 2 FADH2 FADH2 transferidos: 4 ou 2 NADH transferidos: 8 ou 10 6 H2O Rendimento 2 ATP 2 ATP 8 ou 4 ATP 24 ou 30 ATP 36 A respiração aeróbia é o processo de produção de ATP mais utilizado pelos organismos pluricelulares, processo este que implica trocas gasosas com o meio externo. A fotossíntese, respiração e transpiração são processos que implicam trocas de dióxido de carbono, oxigénio e vapor de água, indispensáveis à vida das plantas. Nas plantas são os estomas que facilitam e regulam as trocas gasosas com o meio externo. Estes são constituídos por duas células-guarda que delimitam uma abertura, o ostíolo, através do qual ocorrem as trocas gasosas. Essas células, ricas em cloroplastos, possuem as paredes celulares que limitam a abertura, mais espessas que as paredes opostas. Este facto permite-lhes variar a abertura do ostíolo em função do seu grau de turgescência. Quando estas células perdem água, ficam plasmolisadas, a pressão de turgescência diminui sobre as paredes que limitam o ostíolo e o estoma fecha. Quando as células estão túrgidas, os estomas abrem. 9 As variações de turgescência das células-guarda dependem do movimento, por transporte ativo, de iões para o seu interior, em especial os iões K+. O aumento de concentração desses iões no interior das células provoca a entrada de água por osmose com consequente aumento de turgescência e abertura do estoma. A saída dos iões K+ por difusão provoca a saída de água para as células vizinhas, diminuindo o volume celular (célula plasmolisada), o que provoca o fecho dos estomas. Este mecanismo de abertura e fecho dos estomas é influenciado pela luz, temperatura, vento e o conteúdo de água no solo. Nos animais, os gases respiratórios entram e saem do organismo através das superfícies respiratórias. As trocas dos gases respiratórios realizam-se por difusão (movimento de substâncias entre dois meios a favor de um gradiente de concentração), quer ao nível das superfícies respiratórias quer ao nível dos tecidos. Nas superfícies respiratórias os gases difundem-se das zonas de maior pressão para as de menor pressão. Nos animais, as trocas gasosas podem estabelecer-se diretamente entre o meio externo e as células, sem intervenção de um fluido de transporte, por difusão direta. Quando as trocas gasosas entre o meio externo e as células se fazem com intervenção de um fluido circulante e em sentido contrário, considera-se a existência de difusão indireta. Esta forma de difusão desenvolveu-se à medida que o volume dos animais foi aumentando, tornando-se a área superficial demasiado exígua para permitir o intercâmbio com todas as células do organismo. Chama-se hematose às trocas gasosas que ocorrem ao nível das superfícies respiratórias. Apesar da grande diversidade das superfícies respiratórias, é possível encontrar em todas elas um conjunto de características que aumentam a eficácia das trocas gasosas que lá ocorrem: São superfícies húmidas, o que permite a dissolução, necessária à difusão dos gases; São superfícies finas, constituídas apenas por uma camada de células epiteliais; São superfícies vascularizadas, no caso da difusão indireta; Possuem uma grande superfície em contacto com o meio externo. Superfície Principais características Animais em que se encontra respiratória Tegumento As trocas gasosas ocorrem pela superfície do Animais de pequenas dimensões, corpo. Difusão direta com as células ou indireta como a hidra e a planaria. com o fluido circulante. Animais maiores com sistema circulatório e tegumento húmido (ex. minhoca) Traqueias Sistema de tubos que se ramificam no interior Insetos do corpo. Comunicam com o exterior por espiráculos. As traqueias ramificam-se em traquíolas que contactam com as células. Difusão direta. Brânquias Expansões localizadas da superfície do corpo, Animais aquáticos, como peixes, suspensas na água. Difusão indireta. A água e o vermes marinhos, moluscos e sangue circulam em contracorrente. crustáceos. Pulmões Superfícies respiratórias invaginadas e em Vertebrados terrestres: anfíbios, contacto com a atmosfera por canais estreitos. répteis, aves e mamíferos. Difusão indireta. UNIDADE 4 Chama-se homeostasia à manutenção das condições do meio interno dentro de limites compatíveis com a vida, independentemente das variações do meio externo. O sistema nervoso e o hormonal (conjunto de tecidos, órgãos e células) coordenam a homeostasia, nos animais mais complexos. Sistema nervoso central encéfalo e medula espinal; Sistema nervoso periférico nervos. 10 Complexo hipotálamo-hipófise na base do encéfalo localiza-se o hipotálamo, centro coordenador da homeostasia nos Vertebrados. Está ligado à hipófise por um pedículo que contém vasos sanguíneos e formações nervosas. A unidade básica do sistema nervoso é o neurónio, célula nervosa, onde se distinguem 2 zonas: o corpo celular, onde se localiza o núcleo e a maior parte do citoplasma com os restantes organelos, as dendrites, ramificações citoplasmáticas que recebem o impulso nervoso de outros neurónios ou dos órgãos recetores, e o axónio, prolongamento citoplasmático que conduz o impulso para fora da célula nervosa, transmitindo-o a outro neurónio, a uma célula muscular ou a uma célula glandular. O axónio ou certas dendrites de um neurónio constituem uma fibra nervosa. Os nervos são constituídos por conjuntos de fibras nervosas organizadas em feixes que, por sua vez, estão revestidos por um tecido onde circulam vasos sanguíneos. Os nervos sensitivos ou vias aferentes conduzem as informações dos recetores sensoriais até ao sistema nervoso central e os nervos motores ou vias eferentes transmitem as informações do sistema nervoso central até aos órgãos efectores (músculos ou glândulas endócrinas). Estímulos Vias aferentes centros nervosos veias eferentes reação A informação que circula nos neurónios designa-se impulso nervoso. Como todas as células, os neurónios possuem uma diferença de potencial elétrico, transmembranar, entre a face externa e a face interna da membrana. Na ausência de estímulo, a diferença de potencial entre as duas faces da membrana do neurónio constitui o potencial de repouso. Quando ocorre um estímulo há uma modificação local do potencial de membrana que se designa por potencial de ação e avança sequencialmente ao longo do axónio passando para outro neurónio ou para uma célula efectora. O axónio de um neurónio não contacta diretamente com as dendrites de outro neurónio ou com a célula efectora, ocorrendo a transmissão do impulso nervoso numa zona designada por sinapse (estruturas especificas que permitem a comunicação de dois neurónios entre si ou de neurónios com outras células). Quando o impulso nervoso chega à zona terminal do axónio, as vesículas contendo neurotransmissores, substâncias químicas produzidas pelos neurónios, fundem-se com a membrana da célula pré-sináptica, lançando os neurotransmissores na fenda sináptica. A membrana da célula pós-sináptica possui recetores específicos para os neurotransmissores, que, ligando-se a eles, permitem a continuidade do impulso nessa célula ou o estímulo de um órgão efector, transmitindo a informação. Recetores sensoriais nervos aferentes Centro nervoso nervos eferentes órgão efector (ex. musculo ou glândula endócrina) A célula que transmite a informação designa-se por célula pré-sináptica e a que recebe por célula póssináptica. Nos animais, a comunicação química é assegurada pelo sistema hormonal, através da produção de substâncias químicas mensageiras, designadas por hormonas. Estas são sintetizadas por glândulas endócrinas e lançadas diretamente no sangue, indo atuar em células especificas, células-alvo, desencadeando reações de acordo com a mensagem que transportam. O conjunto de mecanismos que permitem a manutenção da temperatura do corpo, quando há variação considerável da temperatura do meio externo, denomina-se termorregulação. Animais homeotérmicos ou endotérmicos a temperatura interna permanece sensivelmente constante, independentemente das oscilações da temperatura do meio exterior. A temperatura interna depende da taxa metabólica. Animais exotérmicos ou poiquilotérmicos a temperatura interna varia em função da temperatura do meio exterior. Nestes animais o calor dos seus corpos é obtido por absorção do calor do meio externo. Os mecanismos de termorregulação são controlados por um órgão do sistema nervoso central, o hipotálamo, embora, por vezes, o sistema hormonal também interfira no seu controlo. A ação deste órgão manifesta-se de diferentes formas nos animais poiquilotérmicos e nos homeotérmicos: Nos seres poiquilotérmicos (ex. repteis) as informações transmitidas ao hipotálamo pelos recetores térmicos, relativas ao abaixamento ou ao aumento da temperatura, conduzem à procura por parte do animal de um local quente ou de um local fresco, respetivamente. 11 Nos seres homeotérmicos (ex. Homem) o hipotálamo funciona à semelhança de um termóstato, isto é, quando a temperatura baixa ou sobe acima de determinados valores, este desencadeia no organismo determinados mecanismos que contrariam a diminuição ou aumento da temperatura interna. Nestes mecanismos, onde se verifica a retroalimentação negativa, os efeitos produzidos atuam no sentido de contrariar a causa que os originou para restabelecer o valor normal da temperatura corporal. Estimulo detetado pelos termoreceptores Órgão integrador do estímulo Órgão efector Capilares periféricos Diminuição da Hipotálamo temperatura Aumento da Hipotálamo temperatura Resposta Consequência Vasoconstrição (contração dos sanguíneos) Ereção dos pelos Menor dissipação de vasos calor à superfície da pele. Músculos Retenção de ar quente eretores dos junto à superfície da pelos pele Músculos Contração muscular Aumento da produção esqueléticos (tremuras e arrepios) de calor Capilares Vasodilatação (dilatação Maior dissipação de periféricos dos vasos sanguíneos) calor à superfície Glândulas Produção de suor Queda da temperatura à sudoríparas (sudorese) superfície da pele. Osmorregulação é o conjunto de mecanismos pelos quais são controladas as concentrações de água e de solutos, ou seja, os valores da pressão osmótica do meio interno. Animais Osmoconformantes são aqueles que estão em equilíbrio osmótico com a água do mar porque a concentração do meio interno varia com as variações de concentração do meio envolvente. Animais osmorreguladores são aqueles que têm a capacidade de controlar a concentração de água e de solutos, ou seja, de controlar a pressão osmótica do meio interno face às variações de composição do meio externo. O ambiente marinho é hipertónico em relação aos fluidos internos, uma vez que apresenta uma salinidade superior à concentração de sais do meio interno dos animais. Nestas circunstâncias, os organismos tendem a perder água por osmose e a ganhar sais por difusão. Os seus mecanismos homeostáticos garantem-lhes a retenção da água e a libertação de sais Em ambientes de água doce apresentam uma salinidade inferior à concentração de sais do meio interno dos animais. Nesses meios hipotónicos, os animais tendem a absorver água por osmose através das brânquias e a perder sais por difusão. Nos animais terrestres, sujeitos a uma grande tendência para a perda de água, com consequente desequilíbrio osmótico, a osmorregulação está essencialmente ligada ao equilíbrio hídrico dos organismos. O sistema excretor da minhoca encontra-se disperso de forma regular pelo corpo do animal, possuindo cada anel do corpo um par de canais excretores. Estes canais abrem diretamente na cavidade corporal, onde ocorre a filtração do líquido ai existente. Ao longo desse tubo ocorre a reabsorção. Para a rede de capilares que o rodeiam, de algumas substâncias infiltradas inicialmente. O material não reabsorvido é eliminado através de um poro excretor aberto na superfície externa do animal. A abundância de água no habitat destes animais conduz à entrada de água por osmose através da superfície do animal, obrigando à sua eliminação sob a forma de uma urina abundante e hipotónica. Nos insetos, os tubos de Malpigui desempenham o papel de órgãos excretores. Estas estruturas estão ligadas à porção posterior do intestino, estando as extremidades opostas mergulhadas no hemocélio. A filtração ocorre através da parede desses tubos, sendo o filtrado lançado no intestino e conduzido para o reto. Nesse local ocorre a reabsorção de iões e água, sendo a urina, muito concentrada e de consistência pastosa, eliminada juntamente com as fezes. O sistema excretor dos insetos, ao permitir uma grande redução nas perdas de água, constitui um elemento de grande importância na adaptação ao ambiente terrestre. doce Nos vertebrados, a função de osmorregulação é desempenhada pelos rins, que também acumulam a função de excreção. 12 A formação da urina ao nível do nefrónio (unidades funcionais tubulares integradas nos rins) envolve: Filtração: ocorre na cápsula de Bowman devido à existência de uma elevada pressão sanguínea na rede capilar do glomérulo. Da filtração resulta a formação do filtrado glomerular, cuja composição é semelhante ao plasma, com exceção das proteínas e dos lipidos que não são filtrados. Reabsorção: ao longo do nefrónio e também do tubo coletor, onde abrem vários nefrónios, é feita uma reabsorção para a corrente sanguínea de substâncias úteis ao organismo. Essa reabsorção pode ser total ou parcial, podendo ocorrer que por difusão quer por transporte ativo. Secreção: No tubo contornado distal e no tubo coletor pode ocorrer a secreção ativa de certos iões a partir do plasma sanguíneo para a urina. Ação da hormona ADH na osmorregulação As trocas que ocorrem entre o interior dos nefrónios e o plasma sanguíneo são determinadas por diferenças de pressão osmótica entre esses meios e por variações da permeabilidade da membrana desses tubos. A hormona ADH (hormona antidiurética) desempenha um papel fundamental na regulação dessas trocas, influenciando a permeabilidade das membranas dos tubos. Animais Problemas em relação ao meio em que Estratégias de osmorregulação vivem Peixes de água Perde de água para o meio por osmose e Ingestão de água salgada. Transporte ativo salgada ganho de sal por difusão, pela pele e pelas do sal, para fora, através das brânquias. brânquias Pouca urina, concentrada. Peixes de água Ganho de água por osmose e perda de sais Transporte ativo de sais para o meio por difusão interno, através das brânquias. Muita urina, diluída Aves marinhas Ingerem água salgada juntamente com os Excreção de sal por glândulas nasais alimentos Animais Perda de água por evaporação através das Ingestão de grandes quantidades de água. terrestres superfícies respiratórias e da pele. Sistema excretor eficiente. Produção de Excreção urinária e fezes. urina hipertónica. A osmorregulação no ser humano é conseguida através de mecanismos de retroalimentação negativa em que intervém a ADH. Aumento da pressão osmótica do sangue osmorreceptores do hipotálamo libertação de ADH Aumento da permeabilidade dos tubos uríniferos aumento da reabsorção da água Diminuição da pressão osmótica do sangue Osmorreceptores do hipotálamo inibição da libertação de ADH diminuição da permeabilidade dos tubos uriniferos maior produção de urina aumento da pressão osmótica do sangue. O crescimento e o desenvolvimento de uma planta são condicionados por fatores externos como a luz, a temperatura, ou gravidade, que, interagindo com fatores internos, tais como hormonas vegetais, determinam as respostas associadas a esse crescimento e desenvolvimento. As hormonas vegetais são substâncias químicas produzidas em determinadas zonas da planta e transportada para outros locais, onde vão desencadear respostas fisiológicas. Cada hormona vegetal desencadeia uma variedade de respostas nas plantas que dependem do tipo de célula onde atua, do estado fisiológico da planta, da presença de outras hormonas e da interação com fatores externos. Hormonas Auxinas Giberelinas Atividade Estimulam: O crescimento celular O alongamento dos caules A formação de raízes (baixas concentrações estimulam o seu crescimento, enquanto que altas inibem-no) Retardam a queda de frutos e folhas. Estimulam: O crescimento dos caules A germinação de sementes A floração, em algumas plantas 13 O desenvolvimento dos frutos Citoquininas Estimulam: A divisão celular e o desenvolvimento de gomos laterais A germinação de sementes O desenvolvimento dos frutos O metabolismo celular, impedindo ou retardando o envelhecimento dos órgãos vegetais, sobretudo nas folhas Etileno Estimula: O amadurecimento dos frutos A queda (abscisão) das folhas, das flores e dos frutos Inibe o alongamento dos caules Ácido Estimula: abscísico O fecho dos estomas A abscisão Inibe germinação de sementes e o desenvolvimento de gomos. 14