Exercícios: Gâmetas, fecundação e desenvolvimento

Descreve a estrutura do espermatozoide (cabeça, peça intermédia e flagelo) e a do óvulo (grande tamanho e reservas de vitelo) de um mamífero, e relaciona cada característica com a sua função: mobilidade versus alimento para o embrião.

Indica as gónadas e as vias de saída dos gâmetas no aparelho reprodutor de um mamífero, e refere em que ponto do aparelho feminino ocorre a fecundação.

Ordena as fases da fecundação — união dos núcleos dos gâmetas, encontro entre gâmetas, ativação do ovócito e penetração do espermatozoide — e explica numa frase o que ocorre em cada uma.

Explica o que é a meiose e por que razão é imprescindível para produzir gâmetas: o que aconteceria ao número de cromossomas da espécie em cada geração se os gâmetas fossem diploides?

Distingue zigoto, embrião e feto no desenvolvimento de um mamífero, indicando os limites aproximados de cada etapa e que processos predominam nelas (divisão, organogénese, crescimento).

O que é a placenta e que três funções vitais desempenha para o feto (nutrição, respiração, excreção)? Explica por que razão é importante que o sangue da mãe e o do feto não se misturem diretamente.

Explica o que são o saco amniótico e o líquido amniótico, e que funções desempenham durante a gravidez (proteção mecânica, temperatura estável, liberdade de movimentos).

Distingue os gémeos monozigóticos (verdadeiros/idênticos) dos dizigóticos (falsos/fraternos): como se origina cada tipo, que semelhança genética apresentam e por que razão os primeiros são sempre do mesmo sexo e os segundos não necessariamente.

Observa a imagem dos gâmetas de um mamífero. a) Identifica as estruturas numeradas e explica o papel de cada uma durante a fecundação. b) Justifica por que razão o oócito é milhares de vezes maior do que o espermatozoide e o que fornece cada gâmeta ao zigoto. c) Indica que barreiras tem de atravessar o espermatozoide antes de se unir ao núcleo do oócito.

O ovo amniótico de répteis e aves inclui anexos embrionários: âmnio, córion, alantoide e vesícula vitelina. Explica a função de cada anexo e justifica por que razão este conjunto permitiu aos vertebrados deixarem de depender da água para se reproduzirem.

Após a fecundação, o zigoto inicia a segmentação e, de seguida, a gastrulação. Explica em que consiste cada processo, o que são os folhetos embrionários (ectoderme, mesoderme e endoderme) e indica um órgão adulto derivado de cada um.

Descreve as fases do ciclo menstrual (folicular, ovulação, lútea e menstruação) e o papel das principais hormonas (FSH, LH, estrogénios e progesterona) em cada uma delas, de forma simplificada.

Explica o que acontece no útero quando não há fecundação: como diminui a progesterona, o que é a menstruação e por que razão o ciclo é interrompido se o embrião se implantar (que hormona o mantém no início?).

Descreve o processo da fecundação humana: onde ocorre (trompa de Falópio), o que é a reação acrossómica e que mecanismos impedem a polispermia (que entre mais de um espermatozoide).

As primeiras semanas de gravidez são as mais sensíveis. Explica o que é a organogénese, por que razão os agentes teratogénicos (álcool, determinados medicamentos, infeções como a rubéola) causam danos sobretudo no primeiro trimestre e o que é a síndrome alcoólica fetal.

Descreve as fases do parto (dilatação, expulsão e dequitadura) e o papel da oxitocina e das contrações uterinas, explicando por que razão é um exemplo de retroalimentação positiva.

Uma expedição biológica descobre numa caverna isolada duas espécies aparentadas de anfíbios com estratégias reprodutoras muito distintas:

• Espécie A: Põe cerca de 1 500 ovos pequenos (diâmetro < 1,5 mm) e pobres em vitelo em poças temporárias com abundantes predadores.

• Espécie B: Põe apenas 12 ovos grandes (diâmetro > 6,0 mm), muito ricos em vitelo, em fendas húmidas protegidas, dos quais eclodem indivíduos completamente formados sem passar por fase de girino livre.

1. a) Justifica em termos de custo bioenergético e sobrevivência por que razão a espécie B pôde prescindir da metamorfose e da fase larvar aquática, relacionando-o com o tipo de ovo (quantidade de vitelo) e o tipo de desenvolvimento.
2. b) Um investigador afirma: «A espécie A é evolutivamente mais eficiente porque o desenvolvimento indireto implica sempre um menor custo reprodutor para a progenitora». Rebate esta afirmação analisando as vantagens e desvantagens adaptativas de cada estratégia em função da estabilidade do meio.
3. c) Resolve o seguinte aparente paradoxo: os mamíferos placentários têm um ovo praticamente desprovido de vitelo (alécito) e, no entanto, apresentam um desenvolvimento direto sem fase larvar. Como resolveram este conflito evolutivo?

Imagina um cenário evolutivo hipotético: num planeta semelhante à Terra, um grupo de animais aquáticos desenvolve primeiro o ovo com casca impermeável e membranas extraembrionárias (amniota) antes de ter desenvolvido mecanismos de fecundação interna, mantendo a fecundação externa na água.

1. a) Avalia a viabilidade biofísica deste cenário: por que razão o aparecimento do ovo com casca protetora impermeável antes da fecundação interna representa uma contradição biológica insuperável para o processo de penetração gamética?
2. b) Alguns anfíbios atuais depositam as suas posturas em folhas ou transportam os girinos na sua pele fora da água livre, mas nenhum possui um ovo verdadeiramente amniota. A partir deste facto, justifica por que razão a fecundação interna por si só não foi suficiente para que os vertebrados conseguissem independizar-se por completo dos habitats húmidos.
3. c) Analisa como interagem a gravidade, a dessecação e a troca gasosa no meio aéreo para impor a sequência evolutiva cronológica observada: 1.º fecundação interna, 2.º ovo amniota.

Uma equipa de conservação procura salvar da extinção o rinoceronte-branco-do-norte, espécie da qual apenas sobrevivem duas fêmeas inférteis para gestar, mas da qual se conservam amostras de sémen congelado de vários machos e culturas de fibroblastos de pele de doze exemplares falecidos.

Avaliam-se duas estratégias biotecnológicas:

• Estratégia A: Fecundação in vitro (FIV) mediante microinjeção intracitoplasmática (ICSI) com ovócitos extraídos das fêmeas vivas e sémen congelado, transferindo os embriões para fêmeas de rinoceronte-branco-do-sul como gestantes de substituição.

• Estratégia B: Transferência nuclear de células somáticas (clonagem) utilizando os fibroblastos congelados e ovócitos enucleados de rinoceronte-branco-do-sul.

1. a) Compara ambas as estratégias relativamente à variabilidade genética futura: qual delas permite uma maior diversidade alélica na descendência obtida e por que razão a clonagem seria prejudicial como estratégia única a longo prazo?
2. b) Do ponto de vista da biologia celular e do desenvolvimento embrionário, que barreiras moleculares específicas associadas à reprogramação epigenética do núcleo dador explicam a elevadíssima taxa de abortos e malformações congénitas habituais na Estratégia B face à Estratégia A?
3. c) Avalia os limites bioéticos de aplicar estas tecnologias: se uma empresa se propusesse comercializar a clonagem de animais de companhia falecidos, que objeções biológicas e de bem-estar animal apresentarias para desaconselhar esta prática?

Numa consulta ginecológica avaliam-se os perfis de três mulheres em idade fértil que utilizam diferentes métodos de controlo da natalidade:

• Caso A: Utiliza um contracetivo hormonal combinado oral (etinilestradiol e levonorgestrel). Nas análises do dia teórico 14 do seu ciclo, os seus níveis séricos de LH e FSH são mínimos e planos, sem pico detetável.

• Caso B: Manteve uma relação sexual não planeada sem proteção no dia 13 do ciclo (momento em que um teste de ovulação dá positivo por pico de LH). Doze horas depois toma uma pílula do dia seguinte de acetato de ulipristal.

• Caso C: É portadora de um dispositivo intrauterino (DIU) de cobre há dois anos e mantém ciclos ovulatórios e perfis hormonais completamente normais.

1. a) Justifica o mecanismo neuroendócrino pelo qual o tratamento do Caso A impede a ovulação: explica que efeitos exercem os esteroides sintéticos sobre o hipotálamo e a hipófise, e prevê que risco de falha existe se ocorrer um esquecimento continuado da toma durante 3 dias no início da toma.
2. b) Prevê de forma fundamentada a eficácia esperável da contraceção de emergência no Caso B, tendo em conta o mecanismo de ação do fármaco face ao momento biológico do ciclo ovulatório em que ocorreu a relação.
3. c) Compara os mecanismos contracetivos dos Casos A e C face a dois fatores: a modificação do muco cervical/endométrio e a proteção contra infeções sexualmente transmissíveis (IST). Por que razão nenhum destes dois métodos isenta do uso do preservativo em relações esporádicas?

Um casal com infertilidade prolongada consulta uma equipa de reprodução assistida. Os testes de diagnóstico revelam no homem uma concentração espermática extremamente baixa (0,4 milhões de espermatozoides/ml) com hipomotilidade severa, enquanto a mulher apresenta uma obstrução tubar bilateral com reserva ovárica preservada.

1. a) Justifica de forma fundamentada por que razão neste quadro clínico a inseminação artificial intrauterina está contraindicada e é obrigatória uma FIV com microinjeção intracitoplasmática de espermatozoides (ICSI). Descreve em que estado da meiose se encontra o ovócito no momento exato da injeção.
2. b) Após a punção ovárica fertilizam-se 8 ovócitos, conseguindo desenvolver 4 blastocistos morfologicamente viáveis no dia 5 de cultura. Sabendo que a taxa média de implantação por blastocisto euploide ronda os 50-60 %, argumenta biologicamente por que razão a transferência de um único embrião (SET) é preferível à transferência de três embriões em simultâneo, detalhando os riscos perinatais e obstétricos associados à gestação múltipla.
3. c) O casal decide transferir um único embrião e conseguem-se congelar três blastocistos de alta qualidade. Se conseguirem a gravidez e não desejarem ter mais descendência, analisa as três opções legais de destino que a legislação portuguesa oferece para esses embriões excedentários e os dilemas éticos que cada uma suscita.

Durante o inverno de 1944-1945 («inverno da fome holandês»), a população dos Países Baixos sofreu uma desnutrição severa (< 1 000 kcal/diárias) durante 6 meses devido a um bloqueio militar. Décadas mais tarde, estudos epidemiológicos demonstraram que os indivíduos gestados durante esse período cujas mães sofreram a fome no primeiro trimestre nasceram com peso normal, mas mostraram em adultos taxas elevadas de obesidade, hipercolesterolemia e diabetes tipo 2, associadas a uma hipometilação estável do gene IGF2 em comparação com os seus irmãos não expostos. Pelo contrário, os expostos à fome apenas no final da gestação nasceram com baixo peso, mas não desenvolveram obesidade na sua vida adulta.

1. a) Explica como as alterações epigenéticas (como a metilação do ADN em ilhas CpG e a modificação de histonas) modulam a transcrição génica no feto sem alterar a sequência de nucleótidos do ADN.
2. b) Interpreta este caso através da hipótese do «fenótipo poupador»: por que razão um desajuste entre o ambiente intrauterino percecionado pelo embrião e o ambiente pós-natal de abundância nutricional conduz a doenças metabólicas crónicas no adulto?
3. c) Justifica por que razão o impacto a longo prazo sobre a saúde foi muito mais severo e generalizado quando a privação de nutrientes ocorreu no primeiro trimestre do que quando ocorreu no último trimestre de gestação.

Uma mulher de 29 anos com antecedentes de salpingite por clamídia vai às urgências com dor pélvica lancinante na fossa ilíaca direita e uma amenorreia de 7 semanas. A análise quantifica uma concentração de beta-hCG de 4 200 mUI/ml, mas a ecografia transvaginal mostra a cavidade uterina vazia com um endométrio decidualizado e uma massa de 3,2 cm localizada na ampola tubárica direita.

1. a) Explica a relação causa-efeito entre a infeção prévia e a implantação ectópica: que funções celulares do epitélio ciliado tubárico e da musculatura lisa da trompa se deterioraram para impedir o avanço normal da mórula até ao útero?
2. b) Justifica por que motivo no útero se observa um endométrio proliferado e espessado apesar de não albergar nenhum embrião. Que estrutura embrionária produz a beta-hCG e que via hormonal mantém o suporte endometrial?
3. c) Prevê as consequências fisiopatológicas imediatas se não se atuar clinicamente antes da semana 9-10 de gestação, comparando a capacidade plástica e vascular do miométrio uterino com as limitações histológicas da parede tubárica perante a invasão do sinciciotrofoblasto.

Num laboratório reproduz-se o protocolo de transferência nuclear de células somáticas (SCNT) que permitiu obter a ovelha Dolly, utilizando material biológico de três ovelhas distintas:

• Doadora A (raça Finn Dorset, cara branca): fêmea adulta da qual se isolam fibroblastos mamários cultivados in vitro (células diferenciadas, 2n = 54).

• Doadora B (raça Scottish Blackface, cara negra): fêmea à qual se extraem ovócitos não fecundados e se lhes retira o fuso meiótico com a sua dotação cromossómica.

• Fêmea recetora C (raça Scottish Blackface, cara negra): fêmea à qual se implanta no útero o embrião em estádio de blastocisto após a eletrofusão do núcleo de A com o citoplasma enucleado de B.

1. a) Determina de forma fundamentada a contribuição genética exata de cada doadora (A, B e C) para o cordeiro nascido, especificando a origem do genoma nuclear, do genoma mitocondrial e o fenótipo de coloração da sua cabeça.
2. b) Com poucos anos de vida, o clone apresentou artrite prematura e sinais celulares de senescência acelerada. Explica por que razão o comprimento dos telómeros nas células do clone não correspondia ao de um recém-nascido normal e que limitações a reprogramação nuclear de uma célula somática diferenciada enfrenta em comparação com a gametogénese natural.
3. c) Se o objetivo não fosse a gestação do cordeiro mas sim a extração de células estaminais pluripotentes da massa celular interna do blastocisto para regenerar tecidos, que diferença biológica e legal sustenta a aprovação desta clonagem terapêutica face à proibição universal da clonagem reprodutiva em humanos?

Desafio do tema. Como biólogo consultor da tua região, avalia como a estratégia reprodutiva condiciona a sobrevivência da fauna ibérica ameaçada face à mudança global. Elabora um relatório técnico seguindo três fases:

1. Pesquisa de dados reais: Acede ao inventário do Instituto da Conservação da Natureza e das Florestas (ICNF) e seleciona duas espécies autóctones com modelos biológicos contrastantes: um vertebrado anamniota (anfíbio ou peixe) e um amniota (ave ou mamífero).

2. Matriz comparativa: Constrói uma tabela analítica que contraste as respetivas estruturas reprodutoras, morfologia de gâmetas, tipo de fecundação (interna ou externa) e modalidade de desenvolvimento embrionário (ovíparo, ovovivíparo, vivíparo) e pós-embrionário (direto ou indireto).

3. Proposta fundamentada: Redige um parecer avaliando o balanço custo-eficácia de cada espécie. Analisa como o investimento parental e o número de descendentes (com taxas de sobrevivência juvenil frequentemente inferiores a $0,05$ face a estratégias de elevada proteção) influenciam a vulnerabilidade das respetivas populações.

Avaliar-se-á:

• Rigor e veracidade na extração de dados biológicos do portal oficial do ICNF.

• Precisão concetual ao classificar estruturas, gâmetas, fecundação e fases do desenvolvimento embrionário e pós-embrionário.

• Qualidade do raciocínio eco-evolutivo que relaciona o investimento reprodutivo com o risco de extinção.