2010 - Caderno do Aluno - Ensino Médio - 3º Ano - Biologia - Vol. 2
Biologia – Unidade e diversidade da vida vol.2
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O principal objetivo dos professores que elaboraram esta obra foi apresentar aos alunos um panorama da biologia moderna, focado no modo como esta ciência funciona e na maneira como os novos conhecimentos são produzidos pelos pesquisadores da área. Mesmo que não se tornem biólogos e não se envolvam diretamente com a pesquisa científica, os alunos que utilizarem este livro terão, para o resto de suas vidas, o instrumental que possibilitará uma tomada consciente de decisões sobre questões que envolvam o meio ambiente, a biotecnologia, a saúde e outros ramos das ciências biológicas. Biologia – Unidade e diversidade da vida • Volume 2 fornece a esses futuros tomadores de decisões um panorama sobre a diversidade biológica, desde a origem da vida no planeta. Os processos de evolução, tema unificador da obra, ganham destaque neste volume. A apresentação de pesquisas recentes enfatiza o conceito de que a ciência é um esforço contínuo realizado por uma comunidade diversa de pessoas.
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biologiabiologia
CECIE STARR, RALPH TAGGART, CHRISTINE EVERS e LISA STARR
STARR | TAGGART | EVERS | STARR
biologia – unidade e diversidade da vida
biologiabiologiaunidade e
diversidade da vida
biologiaunidade e
diversidade da vida
VOLUME 2 |
OUTRAS OBRAS
Biologia – Unidade e diversidade da vidaVolume 1Tradução da 12ª edição norte-americanaCecie Starr, Ralph Taggart, Christine Evers e Lisa Starr
Introdução à microbiologia – Uma abordagem baseada em estudos de casos Tradução da 3ª edição norte-americanaJohn L. Ingraham e Catherine A. Ingraham
Introdução à climatologiaFillipe Tamiozzo Pereira Torres e Pedro José de Oliveira Machado
Introdução à engenharia ambientalTradução da 2ª edição norte-americanaP. Aarne Vesilind e Susan M. Morgan
Fundamentos de oceanogra�aTradução da 4ª edição norte-americanaTom Garrison
PRÓXIMO LANÇAMENTO
Biologia – Unidade e diversidade da vidaVolume 3Tradução da 12ª edição norte-americanaCecie Starr, Ralph Taggart, Christine Evers e Lisa Starr
TRADUÇÃO DA 12ª EDIÇÃO NORTE-AMERICANA
TRADUÇÃO DA 12ª EDIÇÃO NORTE-AMERICANA
VOLUM
E 2
CECIE STARR, RALPH TAGGART, CHRISTINE EVERS e LISA STARRVOLUME 2 |
O principal objetivo dos professores que elaboraram esta obra foi apresentar aos alunos um panorama da biologia moderna, focado no modo como esta ciência funciona e na maneira como os novos conhecimentos são produzidos pelos pesquisadores da área. Mesmo que não se tornem biólogos e não se envolvam diretamente com a pesquisa cientí�ca, os alunos que utilizarem este livro terão, para o resto de suas vidas, o instrumental que possibilitará uma tomada consciente de decisões sobre questões que envolvam o meio ambiente, a biotecnologia, a saúde e outros ramos das ciências biológicas. Biologia – Unidade e diversidade da vida • Volume 2 fornece a esses futuros tomadores de decisões um panorama sobre a diversidade biológica, desde a origem da vida no planeta. Os processos de evolução, tema uni�cador da obra, ganham destaque neste volume. A apresentação de pesquisas recentes enfatiza o conceito de que a ciência é um esforço contínuo realizado por uma comunidade diversa de pessoas.
APLICAÇÕESLivro-texto destinado a estudantes do ensino médio, podendo ser utilizado também por estudantes das etapas iniciais dos cursos de ciências biológicas.
ISBN 13 978-85-221-1090-2ISBN 10 85-221-1090-5
Capa_Biologia_Vol2_GRAFICA_v2.indd 1 15/02/12 10:27
Tradução da 12a edição norte-americana
Tradução: All Tasks
Biologia Unidade e Diversidade da Vida Starr Taggart Evers Starr
Austrália Brasil Japão Coreia México Cingapura Espanha Reino Unido Estados Unidos
Gustavo Augusto Schmidt de Melo Filho
É bacharel e possui licenciatura plena em Ciências Biológicas pela Universidade Estadual Paulista (Unesp), mestrado em Ciências Biológicas na área de Zoologia (Unesp), doutorado em Ciências Biológicas na área de Zoologia – Ins-tituto de Biociências (USP) e pós-doutorado nas áreas de Taxonomia e Zoogeografia pelo Museu de Zoologia da Universidade de São Paulo (MZUSP). Atualmente é professor adjunto e pesquisador no curso de Ciências Biológicas da Universidade Presbiteriana Mackenzie.
Volume 2
v
SUMÁRIO
1 Origem da Vida e Evolução Inicial 2
Questões de impacto Procurando Vida em Lugares Estranhos 2
1.1 No início… 4 Origem do universo e nosso Sistema Solar 4 Condições da Terra no início 4 Origem dos blocos de construção da vida 5
1.2 Como as células surgiram? 6 Origem das proteínas e do metabolismo 6 Origem da membrana plasmática 6 Origem do material genético 7
1.3 Evolução da vida inicial 8 Era de ouro dos procariotos 8 Surgimento dos eucariotos 9
1.4 De onde vieram as organelas? 10 Origem do núcleo, RE e complexo de Golgi 10 Evolução da mitocôndria e dos cloroplastos 10 Evidências de endossimbiose 11
1.5 Linha do tempo da origem da vida e evolução 12
1.6 Sobre a astrobiologia 14
2 Vírus e Procariotos 18
Questões de impacto Efeitos da AIDS 18
2.1 Características virais e diversidade 20 Descoberta viral 20 Exemplos de vírus 20 Impactos de vírus 21 Origens virais e evolução 21
2.2 Replicação viral 22 Passos na replicação 22 Replicação de bacteriófagos 22 Replicação do herpes, um vírus de DNA envelopado 22 Replicação do HIV, um retrovírus 22
2.3 Viroides e príons 24
2.4 Procariotos – duradouros, abundantes e diversos 25 História evolucionária e classificação 25 Abundância e diversidade metabólica 25
2.5 Estrutura e função procariótica 26 Estrutura e tamanho da célula 26 Reprodução e transferências de genes 26
2.6 Bactérias 28 Amantes do calor 28 Cianobactérias 28 Proteobactérias metabolicamente diversas 28 Heterótrofos gram-positivos 28 Espiroquetas e clamídias 29
2.7 Arqueas 30 Terceiro domínio 30 Aqui, ali, em todo lugar 30
2.8 Evolução e doenças infecciosas 32
vi SUMÁRIO
3 Protistas — Os Eucariotos Mais Simples 36
Questões de impacto Ameaça da Malária 36
3.1 Muitas linhagens protistas 38 Classificação e filogenia 38 Organização protista e nutrição 38 Ciclos da vida protista 39
3.2 Protozoários flagelados 40 Flagelados anaeróbicos 40 Tripanossomos e outros cinetoplastídeos 41 Euglenoides 41
3.3 Foraminíferos e radiolários 42 Foraminíferos com teca calcária 42 Radiolários de teca silicosa 42
3.4 Ciliados (alveolados) 43
3.5 Dinoflagelados 44
3.6 Apicomplexos parasitas 45
3.7 Estramenópilas 46 Diatomáceas 46 Algas marrons multicelulares 46 Oomicetos 47
3.8 Destruidores de plantas 47
3.9 Algas verdes 48 Clorófitas 48 Algas carófitas 49
3.10 Algas vermelhas vão mais a fundo 50
3.11 Células ameboides 51
4 Plantas Terrestres 54
Questões de impacto Princípios e Fins 54
4.1 Evolução em uma época de mudanças globais 56
4.2 Tendências evolutivas entre plantas 58 Da dominância de haploides a diploides 58 Raízes, caules e folhas 58 Pólen e sementes 59
4.3 Briófitas 60 Hepáticas 60 Antóceros 60 Musgos 60
4.4 Plantas vasculares sem sementes 62 Licófitas 62 Psilotum e equisetáceas 62 Samambaias – sem sementes, mas com muita diversidade 63
4.5 Tesouros antigos de carbono 64
4.6 Plantas com sementes 65 A ascensão das plantas com sementes 65 Usos humanos de plantas com sementes 65
4.7 Gimnospermas – plantas com sementes nuas 66 Coníferas 66 Gimnospermas menos conhecidas 66 Um ciclo de vida representativo 67
4.8 Angiospermas – plantas com flores 68 Chaves para o sucesso de angiospermas 68 Diversidade de plantas com flores 68
4.9 Foco no ciclo de vida de uma planta com flor 70
4.10 A planta mais nutritiva do mundo 71
5 Fungos 74
Questões de impacto Fungos Aéreos 74
5.1 Características e classificação dos fungos 76 Características e ecologia 76 Visão geral dos ciclos de vida dos fungos 76 Classificação e filogenia 76
5.2 Fungos flagelados 77
5.3 Zigomicetos e parentes 78 Zigomicetos típicos 78 Microsporídios – parasitas intracelulares 79 Glomeromicetos – simbiontes das plantas 79
SUMÁRIO vii
5.4 Ascomicetos 80 Reprodução sexuada 80 Reprodução assexuada 81 Utilizações humanas dos ascomicetos 81
5.5 Basidiomicetos 82
5.6 Simbiontes fúngicos 84 Liquens 84 Endófitos fúngicos 84 Micorrizas – fungos de raízes 85
5.7 Fungos prejudiciais 85
6 Evolução Animal – Invertebrados 88
Questões de impacto Genes Antigos, Novos Medicamentos 88
6.1 Características dos animais e planos corporais 90 O que é um animal? 90 Variação nos planos corporais animais 90
6.2 Origens animais e radiação adaptativa 92 Tornar-se pluricelular 92 Uma grande radiação adaptativa 92 Relações e classificação 92
6.3 O animal vivo mais simples 94
6.4 Esponjas (Filo Porifera) - filtradores sésseis 94 Características e ecologia 94 Reprodução e dispersão das esponjas 95 Autorreconhecimento das esponjas 95
6.5 Cnidários (Filo Cnidaria) – tecidos verdadeiros 96 Características gerais 96 Diversidade e ciclos de vida 96
6.6 Platelmintos – órgãos e sistemas simples 98 Estrutura de um platelminto de vida livre 98 Trematódeos e cestódeos – os parasitas 98
6.7 Anelídeos – vermes segmentados 100 Poliquetos marinhos 100
Sanguessugas – sugadores de sangue e tecidos 100 Minhoca – um oligoqueto 100
6.8 Moluscos – animais com manto 102 Características gerais 102 Diversidade dos moluscos 102
6.9 Cefalópodes – rápidos e inteligentes 104
6.10 Rotíferos e tardígrados – pequenos e resistentes 105
6.11 Nematoides – vermes não segmentados que trocam de cutícula 106
6.12 Artrópodes – animais com patas articuladas 107 Principais adaptações dos artrópodes 107
6.13 Quelicerados – as aranhas e seus parentes 108
6.14 Crustáceos majoritariamente marinhos 109
6.15 Miriápodes – muitas pernas 110
6.16 Insetos 110 Características dos insetos 110 Origens dos insetos 111
6.17 Diversidade e importância dos insetos 112 Amostragem da diversidade dos insetos 112 Serviços ecológicos 112 Concorrentes por plantações 112 Vetores de doenças 112
6.18 Equinodermos – pele espinhosa 114 Divisão protostômios-deuterostômios 114 Características e plano corporal dos equinodermos 114 Diversidade de equinodermos 115
7 Evolução Animal – Os Cordados 118
Questões de impacto Transições Escritas na Pedra 118
viii SUMÁRIO
7.1 A herança dos cordados 120 Características dos cordados 120 Cordados invertebrados 120 Uma caixa craniana, mas sem coluna vertebral 121
7.2 Características e tendências dos vertebrados 122 Um esqueleto interno e um cérebro grande 122 Sistemas circulatório e respiratório 123 Outros sistemas de órgãos 123
7.3 Lampreias sem mandíbulas 124
7.4 Peixes com mandíbulas 124 Peixes cartilaginosos 125 Peixes ósseos 125
7.5 Anfíbios – primeiros tetrápodes na terra 126 Adaptando-se à vida na terra 126 Anfíbios atuais 126
7.6 Desaparecimento gradual 127
7.7 Surgimento dos amniotos 128
7.8 Adeus, dinossauros 129
7.9 Diversidade dos répteis modernos 130 Características gerais 130 Grupos importantes 130
7.10 Pássaros – possuidores de penas 132 De dinossauros para pássaros 132 Características gerais 132 Diversidade e comportamento dos pássaros 133
7.11 O surgimento dos mamíferos 134 Características dos mamíferos 134 Evolução dos mamíferos 134
7.12 Diversidade dos mamíferos modernos 136 Monotremados que botam ovos 136 Marsupiais com bolsas 136 Mamíferos placentários 136
7.13 Dos primeiros primatas aos hominídeos 138 Visão geral das principais tendências 138 Origens e primeiras divergências 139
7.14 Aparecimento dos primeiros seres humanos 140 Primeiros hominídeos 140 Primeiros humanos 141
7.15 Aparecimento dos seres humanos modernos 142 Ramificações da linhagem humana 142 Onde os seres humanos modernos se originaram? 142 Saindo de casa 143
8 Controle Neural 146
Questões de impacto Em Busca do Êxtase 146
8.1 Evolução de sistemas nervosos 148 Rede nervosa dos cnidários 148 Sistemas nervosos com encéfalo bilateral 148 Sistema nervoso dos vertebrados 149
8.2 Neurônios – os grandes comunicadores 150
8.3 Potenciais de membrana 151 Potencial em repouso 151 Potenciais de ação 151
8.4 Detalhes dos potenciais de ação 152 Aproximação do limiar 152 Um pico de tudo ou nada 152 Direção de propagação 153
8.5 Como os neurônios enviam mensagens para outras células 154 Sinapses químicas 154 Integração sináptica 155 Limpeza da fenda 155
8.6 Uma variedade de sinais 156 Descoberta e diversidade de neurotransmissores 156 Neuropeptídios 156
8.7 Drogas interrompem a sinalização 157
8.8 Sistema nervoso periférico 158 Axônios agrupados como nervos 158 Subdivisões funcionais 158
SUMÁRIO ix
8.9 Medula espinhal 160 Uma estrada de informações 160 Vias de reflexo 160
8.10 Cérebro dos vertebrados 162 Cérebro posterior e mesencéfalo 162 Cérebro anterior 162 Proteção na barreira hematoencefálica 162 Cérebro humano 163
8.11 Encéfalo humano 164 Funções do córtex cerebral 164 Conexões com o sistema límbico 165 Formação de memórias 165
8.12 Cérebro dividido 166
8.13 Neuróglias – a equipe de apoio dos neurônios 167 Tipos de neuróglia 167 Sobre tumores cerebrais 167
9 Percepção Sensorial 170
Questões de impacto Um Grande Problema 170
9.1 Visão geral das vias sensoriais 172 Diversidade de receptores sensoriais 172 Do sentido à sensação 173
9.2 Sensações somáticas e viscerais 174 Córtex somatossensorial 174 Receptores próximos à superfície do corpo 174 Sensação muscular 174 Sensação de dor 174
9.3 Percebendo o mundo químico 176 Olfato 176 Paladar 176
9.4 Senso de equilíbrio 177
9.5 Audição 178 Propriedades do som 178 Ouvido nos vertebrados 178
9.6 Poluição sonora 180
9.7 Visão 180 Requisitos para visão 180
9.8 Olhar atento ao olho humano 182 Anatomia do olho 182 Mecanismos de focalização 183
9.9 Da retina para o córtex visual 184 Estrutura da retina 184 Como os fotorreceptores funcionam 185 Processamento visual 185
9.10 Transtornos visuais 186
10 Controle Endócrino 190
Questões de impacto Hormônios na Balança 190
10.1 Introdução ao sistema endócrino dos vertebrados 192 Sinalização intracelular em animais 192 Visão geral do sistema endócrino 192 Interações endócrino-nervosas 192
10.2 Natureza da ação hormonal 194 Da recepção do sinal à resposta 194 Função e diversidade de receptores 194
10.3 Hipotálamo e hipófise 196 Função da hipófise posterior 196 Função da hipófise anterior (adeno- -hipófise) 197
10.4 Função e desordens do hormônio do crescimento 198
10.5 Fontes e efeitos de outros hormônios nos vertebrados 199
10.6 Glândulas tireoide e paratireoides 200 Glândula tireoide 200 Glândulas paratireoides 201
10.7 Girinos torcidos 201
10.8 Hormônios pancreáticos 202
10.9 Desordens de açúcar no sangue 203
x SUMÁRIO
10.10 Glândulas adrenais 204 Controle hormonal do córtex adrenal 204 Controle nervoso da medula adrenal 204
10.11 Excesso ou falta de cortisol 205 Estresse crônico e cortisol elevado 205 Baixo nível de cortisol 205
10.12 Outras glândulas endócrinas 206 Gônadas 206 Glândula pineal 206 Timo 206
10.13 Olhar comparativo sobre alguns invertebrados 207 Evolução da diversidade hormonal 207 Hormônios de muda 207
11 Suporte Estrutural e Movimento 211
Questões de impacto Aumentando os Músculos 211
11.1 Esqueletos de invertebrados 213 Esqueletos hidrostáticos 213 Exoesqueletos 213 Endoesqueletos 214
11.2 Endoesqueleto dos vertebrados 215 Características do esqueleto dos vertebrados 215 Esqueleto humano 215
11.3 Estrutura e função dos ossos 217 Anatomia dos ossos 217 Formação e remodelagem do osso 217 Sobre a osteoporose 218
11.4 Articulações esqueléticas – onde os ossos se encontram 219
11.5 Essas articulações doloridas 220
11.6 Sistema musculoesquelético 221
11.7 Como o músculo esquelético contrai? 223 Estrutura fina do músculo esquelético 223 Modelo de filamento deslizante 224
11.8 Do sinal à resposta: olhar atento na contração 225 Controle nervoso da contração 225 Papéis da troponina e tropomiosina 225
11.9 Energia para contração 226
11.10 Propriedades dos músculos inteiros 227 Unidades motoras e tensão muscular 227 Fadiga, exercício e envelhecimento 227
11.11 Interrupção da contração muscular 228
12 Circulação 231
Questões de impacto E Então meu Coração Parou 231
12.1 Natureza da circulação sanguínea 233 Da estrutura à função 233 Evolução da circulação nos vertebrados 233
12.2 Características do sangue 235 Funções do sangue 235 Volume e composição do sangue 235
12.3 Hemostasia 237
12.4 Tipagem sanguínea 237 Tipagem sanguínea ABO 237 Tipagem sanguínea Rh 238
12.5 Sistema cardiovascular humano 239
12.6 Coração humano 241 Estrutura e função do coração 241 Como o músculo cardíaco se contrai? 241
12.7 Pressão, transporte e distribuição do fluxo 243 Transporte rápido nas artérias 243 Distribuição do fluxo nas arteríolas 243 Controle da pressão sanguínea 244
12.8 Difusão nos capilares, depois de volta para o coração 245 Função dos capilares 245 Pressão venosa 246
SUMÁRIO xi
12.9 Sangue e desordens cardiovasculares 247
12.10 Interações com o sistema linfático 249 Sistema vascular linfático 249 Órgãos e tecidos linfoides 250
13 Imunidade 253
Questões de impacto Último Desejo de Frankie 253
13.1 Respostas integradas contra ameaças 255 Evolução das defesas do corpo 255 Três linhas de defesa 255 Defensores 256
13.2 Barreiras de superfície 257
13.3 Lembre-se de usar o fio dental 258
13.4 Respostas imunológicas inatas 259
13.5 Visão geral da imunidade adaptativa 261 Produzindo respostas às ameaças específicas 261 Primeiro passo – o alerta do antígeno 261 Dois braços da imunidade adaptativa 262 Interceptando e eliminando o antígeno 262
13.6 Anticorpos e outros receptores de antígeno 263 Estrutura e função do anticorpo 263 Fabricação de receptores de antígeno 264
13.7 Resposta imunológica mediada por anticorpo 265 Uma resposta mediada por anticorpo 265
13.8 Resposta mediada por célula 267
13.9 Alergias 268
13.10 Vacinas 269
13.11 A imunidade deu errado 270 Distúrbios autoimunológicos 270 Imunodeficiência 270
13.12 AIDS revisitada – imunidade perdida 271
14 Respiração 276
Questões de impacto Virou Fumaça 276
14.1 Natureza da respiração 278 Base da troca de gases 278 Fatores que afetam as taxas de difusão 278
14.2 Precisando de oxigênio 279
14.3 Respiração dos invertebrados 280 Troca gasosa tegumentar 280 Brânquias dos invertebrados 280 Gastrópodes pulmonados 280 Tubos traqueais e pulmões foliáceos 280
14.4 Respiração dos vertebrados 282 Brânquias dos peixes 282 Evolução dos pulmões duplos 282
14.5 Sistema respiratório humano 284 Muitas funções do sistema 284 Das vias aéreas aos alvéolos 285
14.6 Reversões cíclicas nos gradientes de pressão do ar 286 Ciclo respiratório 286 Volumes respiratórios 286 Controle da respiração 287
14.7 Troca e transporte de gases 288 Membrana respiratória 288 Transporte de oxigênio 288 Transporte de dióxido de carbono 288 A ameaça do monóxido de carbono 289
14.8 Doenças e desordens respiratórias 290
14.9 Do alto da montanha ao fundo do mar 292 Respiração em altitudes elevadas 292 Mergulhadores de mar profundo 292
15 Digestão e Nutrição Humana 296
Questões de impacto Hormônios e Fome 296
15.1 A natureza dos sistemas digestórios 298 Sistemas completos e incompletos 298
xii SUMÁRIO
Adaptações alimentares 299
15.2 Visão geral do sistema digestório humano 300
15.3 Comida na boca 301
15.4 Quebra de alimentos no estômago e intestino delgado 302 Digestão no estômago 302 Digestão no intestino delgado 303 Controles sobre a digestão 303
15.5 Absorção no intestino delgado 304 Da estrutura à função 304 Como os materiais são absorvidos? 304
15.6 O intestino grosso 306 Estrutura e função do intestino grosso 306 Distúrbios do intestino grosso 306
15.7 Metabolismo de compostos ogânicos absorvidos 307
15.8 Requisitos nutricionais humanos 308 Recomendações dietéticas do USDA 308 Carboidratos ricos em energia 308 Gordura boa, gordura ruim 308 Proteínas construtoras do corpo 309 Sobre dietas pobres em carboidratos/ ricas em proteínas 309
15.9 Vitaminas, minerais e fitoquímicos 310
15.10 Perguntas de peso, respostas perturbadoras 312
16 Manutenção do Ambiente Interno 316
Questões de impacto A Verdade em um Tubo de Ensaio 316
16.1 Manutenção do fluido extracelular 318
16.2 Como os invertebrados mantêm o equilíbrio de fluidos? 318
16.3 Regulagem de fluidos nos vertebrados 320 Equilíbrio de fluidos em peixes e anfíbios 320
Equilíbrio de fluidos em répteis, aves e mamíferos 320
16.4 Sistema urinário humano 322 Componentes do sistema urinário 322 Néfrons – as unidades funcionais do rim 323
16.5 Como a urina se forma 324 Filtração glomerular 324 Reabsorção tubular 324 Secreção tubular 325 Concentração da urina 325
16.6 Regulação da entrada de água e formação de urina 326 Regulação da sede 326 Efeitos do hormônio antidiurético 326 Efeitos da aldosterona 326 Desordens hormonais e equilíbrio de fluidos 327
16.7 Equilíbrio ácido-base 327
16.8 Quando os rins falham 328
16.9 Perdas e ganhos de calor 329 Como a temperatura central pode mudar 329 Endotermos, ectotermos e heterotermos 329
16.10 Regulagem de temperatura nos mamíferos 330 Respostas ao estresse por calor 330 Respostas ao estresse por frio 330
17 Sistemas Reprodutores dos Animais 334
Questões de impacto Machos ou Fêmeas? Corpo ou Genes? 334
17.1 Modos de reprodução animal 336 Reprodução assexuada em animais 336 Custos e benefícios da reprodução sexuada 336 Variações na reprodução sexuada 336
17.2 Sistema reprodutor dos machos humanos 338
SUMÁRIO xiii
Gônadas masculinas 338 Dutos reprodutores e glândulas acessórias 339 Problemas testiculares e de próstata 339
17.3 Formação dos espermatozoides 340 Das células germinativas ao espermatozoide maduro 340 Controle hormonal sobre a formação de espermatozoides 341
17.4 Sistema reprodutor das fêmeas humanas 342 Componentes do sistema 342 Visão geral do ciclo menstrual 343
17.5 Problemas femininos 343
17.6 Preparações para gravidez 344 Ciclo ovariano 344 Eventos correlacionados no ovário e no útero 345
17.7 FSH e gêmeos 346
17.8 Quando os gametas se encontram 346 Relação sexual 346 Fertilização 347
17.9 Evitando ou buscando a gravidez 348 Opções para controle da natalidade 348 Sobre o aborto 349 Tecnologia reprodutiva assistida 349
17.10 Doenças sexualmente transmissíveis 350 Consequências de infecções 350 Principais agentes das doenças sexualmente transmissíveis 350
18 Desenvolvimento dos Animais 354
Questões de impacto Nascimentos Espantosos 354
18.1 Estágios de reprodução e desenvolvimento 356
18.2 Ordens de marcha iniciais 358 Informações no citoplasma 358
A clivagem divide o citoplasma materno 358 Variações nos padrões de clivagem 359 Estrutura da blástula 359
18.3 De blástula a gástrula 360
18.4 Tecidos e órgãos especializados se formam 361 Diferenciação celular 361 Morfogênese e formação de padrões 361
18.5 Uma visão evolucionária do desenvolvimento 362 Modelo geral para o desenvolvimento animal 362 Restrições e modificações no desenvolvimento 362
18.6 Visão geral do desenvolvimento humano 363
18.7 Desenvolvimento humano inicial 364 Clivagem e implantação 364 Membranas extraembrionárias 364 Produção inicial de hormônios 365
18.8 Surgimento do plano corporal dos vertebrados 366
18.9 Função da placenta 367
18.10 Surgimento de características distintamente humanas 368
18.11 A mãe como provedora e protetora 370
18.12 Nascimento e lactação 372 Dar à luz 372 Nutrição do recém-nascido 372
Apêndice I. Sistema de Classificação 375
Apêndice II. Respostas das questões 381
Glossário 385
Crédito das imagens 401
Índice remissivo 407
xv
Prefácio
Durante a elaboração desta revisão, convidamos para uma reunião educadores que lecionam biologia introdutória para alunos do ensino médio para discutirmos os objetivos de seus cursos. O objetivo principal de quase todos os professo-res foi algo como: “Fornecer aos alunos as ferramentas para fazer escolhas informadas, familiarizando-os com o funcio-namento da ciência”. Os alunos que utilizarem este livro não se tornarão biólogos. Ainda assim, para o resto de suas vidas eles terão de tomar decisões que exigem um conhecimento básico de biologia e do processo científico.
Nosso livro fornece a esses futuros tomadores de decisões uma introdução acessível à biologia. Pesquisas recentes com fotos enfatizam o conceito de que a ciência é um esforço con-tínuo realizado por uma comunidade diversa de pessoas. Os tópicos de pesquisa não incluem apenas as descobertas dos pesquisadores, mas também como foram feitas, como o co-nhecimento mudou com o passar do tempo e o que permane-ce desconhecido. O papel da evolução é um tema unificador, pois está em todos os aspectos da biologia.
Como autores, sentimos que o conhecimento é originário principalmente da realização de conexões, então procuramos manter um equilíbrio entre acessibilidade e nível de detalhes. Logo, revisamos cada página para fazer que o texto desta edi-ção seja claro e o mais direto possível. Também simplificamos muitas figuras e adicionamos tabelas que resumem os pontos principais.
MUDANÇAS NESTA EDIÇÃO
Questões de impacto Para tornar os assuntos relacio-nados a Questões de impacto mais convidativas, atualizamos o tema, tornamos o texto mais conciso e melhoramos sua inte-gração aos capítulos. Muitos textos novos foram adicionados a esta edição.
Conceitos-chave Resumos introdutórios dos Conceitos- -chave abordados no capítulo agora são apresentados com gráficos extraídos de seções importantes.
Para pensar Cada seção agora inclui um boxe Para pen-sar. Nele, colocamos uma pergunta que retoma o conteúdo crítico da seção, além de fornecer respostas à pergunta em formato de tópicos.
Questões Questões com respostas que permitem ao aluno verificar seu entendimento sobre uma figura enquanto lê o capítulo.
Exercício de análise de dados Para fixar ainda mais as habilidades analíticas do aluno e proporcionar uma per-cepção sobre as pesquisas contemporâneas, cada capítulo apresenta um Exercício de análise de dados. O exercício traz um texto breve, geralmente sobre um experimento científico, e uma tabela, quadro ou gráfico para ilustrar dados experi-mentais. O aluno deve usar as informações contidas no texto e no gráfico para responder à série de perguntas.
Alterações específicas Cada capítulo foi amplamen-te revisado quanto à clareza; esta edição tem novas fotos e
figuras novas e atualizadas. Um resumo das alterações está a seguir.
• Capítulo 1, Origem da Vida e Evolução Inicial — Informa-ções atualizadas sobre a origem dos agentes do meta-bolismo. Nova discussão sobre ribozimas como prova para o mundo do RNA.
• Capítulo 2, Vírus e Procariotos — Texto de abertura so-bre HIV transferido para esta parte, com a discussão sobre replicação do HIV. Novo desenho da estrutura viral. Nova seção descrevendo a descoberta de viroi-des e príons.
• Capítulo 3, Protistas – Os Eucariotos Mais Simples — Novo texto de abertura sobre malária. Novas figuras mostrando características dos protistas, como eles se relacionam com outros grupos.
• Capítulo 4, Plantas Terrestres — Tendências evolucio-nárias revisadas. Maior cobertura sobre as hepáticas e plantas aquáticas.
• Capítulo 5, Fungos — Novo texto de abertura sobre es-poros transportados pelo ar. Mais informações sobre utilizações fúngicas e patógenos.
• Capítulo 6, Evolução Animal — Invertebrados — Nova ta-bela de resumo das características animais. Cobertura das relações entre invertebrados atualizada.
• Capítulo 7, Evolução Animal – Os Cordados — Nova se-ção sobre lampreias. Evolução humana atualizada.
• Capítulo 8, Controle Neural — Reflexos integrados à cobertura da medula espinhal. Seção sobre o cérebro amplamente revisada.
• Capítulo 9, Percepção Sensorial — Nova arte sobre o aparato vestibular, formação de imagens nos olhos e acomodação. Melhor cobertura sobre os distúrbios e doenças nos olhos.
• Capítulo 10, Controle Endócrino — Nova seção sobre distúrbios pituitários. Tabelas que resumem as fontes hormonais agora em seções apropriadas, em vez do final do capítulo.
• Capítulo 11, Suporte Estrutural e Movimento — Cobertu-ra aprimorada das juntas e problemas nas juntas.
• Capítulo 12, Circulação — Texto de abertura atualiza-do. Nova seção sobre hemostasia. Diagrama de células sanguíneas simplificado. Seção sobre tipificação san-guínea revisada quanto à clareza.
• Capítulo 13, Imunidade — Novo texto sobre vacina HPV; novos textos voltados para doenças periodon-tais-cardiovasculares e alergias; seções sobre vacinas e AIDS atualizadas.
• Capítulo 14, Respiração — Melhor cobertura da respira-ção dos invertebrados e manobra de Heimlich.
• Capítulo 15, Digestão e Nutrição Humana — Seções sobre informações nutricionais e pesquisas sobre obesidade atualizadas.
xvi PREFÁCIO
• Capítulo 16, Manutenção do Ambiente Interno — Nova fi-gura de distribuição de fluidos no corpo humano. Me-lhor cobertura sobre os distúrbios e doenças nos rins.
• Capítulo 17, Sistemas Reprodutores dos Animais — Novo texto sobre condições intersexuais. Cobertura da ana-tomia reprodutiva, produção de gametas, relação se-xual e fertilização.
• Capítulo 18, Desenvolvimento dos Animais — Informa-ções mais eficientes sobre os princípios de desenvol-vimento animal.
AGRADECIMENTOS
Não conseguimos expressar em tão singela lista os nossos agradecimentos à equipe que, com tamanha dedicação, tor-nou este livro realidade. Os profissionais relacionados na
página a seguir ajudaram a moldar nosso pensamento. Mar-ty Zahn e Wenda Ribeiro merecem reconhecimento especial por seus comentários incisivos em todos os capítulos, assim como Michael Plotkin por seu grande e excelente retorno. Grace Davidson organizou nossos esforços tranquila e incan-savelmente, solucionou os pontos falhos e conformou todas as partes deste livro. A tenacidade do iconógrafo Paul Fork-ner nos ajudou a alcançar objetivo de ilustração. Na Cengage Learning, Yolanda Cossio e Peggy Williams nos apoiaram firmemente. Contamos também com a colaboração de Andy Marinkovich, de Amanda Jellerichs, que organizou reuniões com vários professores; de Kristina Razmara, que auxiliou nas questões de tecnologia; de Samantha Arvin, que contri-bui no âmbito organizacional, e de Elizabeth Momb, que ge-renciou todos os materiais impressos.
CeCie Starr, ChriStine everS e LiSa Starr
Junho de 2008
AOS ALUNOS
O que é a vida? A pergunta é básica, porém difícil. Nesta obra, os autores partem de exemplos para fundamentar conceitos. Esses conceitos, quando unidos e compreendidos, permitem ao estudante pensar em respostas. A obra Biolo-gia, Unidade e Diversidade da Vida se destaca em relação às demais publicações do gênero. A linguagem é clara e objetiva. O conteúdo é ricamente ilustrado, com figuras de excelente qualidade e contextualizado com exemplos interessantes. A obra não apenas apresenta um panorama geral da Biologia moderna, mas se preocupa em explicar o modo como a Biologia funciona enquanto ciência e a forma como os conhecimentos são produzidos nessa área. Assim, o texto não traz apenas conhecimentos, mas convida o estudante brasileiro a pensar sobre o maravilhoso mundo da vida.
Dr. Gustavo A. Schmidt de Melo FilhoSetembro de 2011
COLABORADORES DESTA EDIÇÃO xvii
colaboradores desta edição: testes e revisões
MarC C. aLbreCht
University of Nebraska at Kearney
eLLen baker
Santa Monica College
Sarah FoLLiS barLow
Middle Tennessee State University
MiChaeL C. beLL
Richland College
LoiS brewer borek
Georgia State University
robert S. boyd Auburn University
UrieL angeL bUitrago-SUarez
Harper College
Matthew rex bUrnhaM
Jones County Junior College
P.v. Cherian
Saginaw Valley State University
warren CoFFeen
Linn Benton
LUigia CoLLo
Universita’ Degli Studi Di Brescia
david t. Corey
Midlands Technical College
david F. Cox
Lincoln Land Community College
kathryn StePhenSon Craven
Armstrong Atlantic State University
Sondra dUbowSky
Allen County Community College
Peter ekeChUkwU
Horry-Georgetown Technical College
danieL J. FairbankS
Brigham Young University
MitCheLL a. FreyMiLLer
University of Wisconsin — Eau Claire
raUL gaLvan
South Texas College
nabarUn ghoSh
West Texas A&M University
JULian granirer
URS Corporation
StePhanie g. harvey
Georgia Southwestern State University
JaMeS a. hewLett
Finger Lakes Community College
JaMeS hoLden
Tidewater Community College — Portsmouth
heLen JaMeS
Smithsonian Institution
david Leonard
Hawaii Department of Land and Natural Resources
Steve MaCkie
Pima West Campus
Cindy MaLone
California State University — Northridge
kathLeen a. MarrS
Indiana University — Purdue University Indianapolis
eMiLio MerLo-PiCh
GlaxoSmithKline
MiChaeL PLotkin
Mt. San Jacinto College
MiChaeL d. QUiLLen
Maysville Community and Technical College
wenda ribeiro
Thomas Nelson Community College
Margaret g. riChey
Centre College
JenniFer CUrran robertS
Lewis University
Frank a. roMano, iiiJacksonville State University
CaMeron rUSSeLL
Tidewater Community College — Portsmouth
robin v. SearLeS-adenegan
Morgan State University
brUCe ShMaeFSky
Kingwood College
brUCe StaLLSMith
University of Alabama — Huntsville
Linda SMith Staton
Pollissippi State Technical Community College
Peter SvenSSon
West Valley College
LiSa weaSeL
Portland State University
diana C. wheat
Linn-Benton Community College
CLaUdia M. wiLLiaMS
Campbell University
Martin zahn
Thomas Nelson Community College
2 BIOLOGIA UNIDADE E DIVERSIDADE DA VIDA – VOLUME 2
1 Origem da Vida e Evolução Inicial
QUESTÕES DE IMPACTO Procurando Vida em Lugares Estranhos
Na década de 1960, o microbiólogo Thomas Brock começou a procurar sinais de vida em fontes termais e piscinas no Yellow- stone National Park (Estados Unidos) (Figura 1.1). Ele encon-trou células microscopicamente pequenas, incluindo Thermus aquaticus, procarioto que vive em águas extremamente quen-tes, da ordem de 80 °C.
O trabalho de Brock apresentou dois resultados inesperados. Primeiro, conduziu pesquisadores a caminhos que induziram à descoberta de um grande domínio de vida – Arquea. Depois, conduziu a uma maneira mais rápida de copiar DNA e obter maiores quantidades deste. O T. aquaticus possui uma DNA po-limerase resistente ao calor que permite a cópia de seu DNA em altas temperaturas, que desnaturariam a maioria das enzi-mas. Pesquisadores agora usam uma versão sintética de DNA polimerase do T. aquaticus na reação em cadeia da polimerase – PCR. Assim, os biotecnólogos usam PCR para fazer muitas cópias de uma parte específica de DNA.
Estimulados pela descoberta de Brock, cientistas começa-ram a explorar ambientes inóspitos a procura de novas formas de vida. Eles descobriram espécies que resistiam a extraor-dinários níveis de temperatura, pH, salinidade e pressão. Por exemplo, alguns procariotos são adaptados à vida em água superaquecida próxima a fluxos hidrotermais no fundo do mar. Uma destas espécies pode se desenvolver a 121 °C! Outros procariotos adaptaram-se à vida no gelo glacial que nunca derrete. Outros ainda vivem em fontes ácidas, onde o pH se aproxima de zero, ou em lagos altamente alcalinos.
A vida também floresce bem abaixo da superfície da Ter-ra. O Bacillus infernus vive a 75 °C em rochas a três quilô-metros abaixo da superfície do solo na Virgínia, EUA. O nome da espécie significa “bactéria do inferno”. Outras espécies de procariotos foram descobertas a uma profundidade similar em rochas na África do Sul e nas minas canadenses.
Algumas células eucarióticas também sobrevivem em condi-ções extremas. Células de algas podem deixar o gelo glacial com a coloração vermelha ou podem crescer em fontes ácidas quentes. As células fotossintetizantes chamadas diatomáceas habitam lagos salgados que fazem a maioria das formas de vida encolher e morrer. Protistas flagelados chamados eugle-noides nadam nas águas do lago Berkeley Pit. Esse lago con-taminado com metal acídico em Montana é um dos locais mais tóxicos dos Estados Unidos.
Por que citar esses exemplos dramáticos? Simplesmente para comprovar: a vida pode se adaptar a qualquer meio am-biente que possuir fontes de carbono e energia.
Este capítulo é sua introdução a uma parte da linha do tem-po, começando com a formação da Terra até as origens quími-cas da vida. O que expusemos até aqui servirá de base para as próximas unidades.
A Ciência não pode provar como a vida surgiu, mas pode testar hipóteses sobre o que pode ter acontecido. Como você vai aprender, a vida é uma continuação da história física e quí-mica do universo e do planeta Terra.
Figura 1.1 Uma poça termal no Parque Nacional de Yellowstone. A micrografia mostra uma das espécies bacterianas residentes – a Thermus aquaticus. Pesquisadores fazem uso de suas enzimas resistentes ao calor.
CAPÍTULO 1 ORIGEM DA VIDA E EVOLUÇÃO INICIAL 3
Qual sua opinião? A abundância da vida em ambientes extremos da Terra sugere que pode haver vida abaixo da superfície de Marte. Uma forma de descobrir é colher uma amostra do solo de Marte e trazer para a Terra para estudo. Este plano traz riscos? Conheça a opinião de seus colegas e apresente seus argumentos a eles.
3
Conceitos-chave
Origem dos compostos orgânicosQuando a Terra se formou, há mais de 4 bilhões de anos, as condições eram muito severas para suportar a vida. Com o decorrer do tempo, a crosta resfriou e os mares se formaram. Compostos orgânicos atualmente encontrados em células vivas podem ter se formado nos mares ou chegado com meteoritos. Seção 1.1
Origem das célulasEm todas as células viventes, as proteínas catalisam reações metabólicas, uma membrana plasmática envolve a célula e o DNA é a molécula da hereditariedade. Experimentos em laboratório fornecem perspectivas sobre como os componentes e processos celulares podem ter evoluído. Seção 1.2
Evolução inicialAs primeiras células eram procarióticas. Os eucariotos surgiram depois que a evolução da via não cíclica de fotossíntese em alguns procariotos colocou oxigênio no ar. Mitocôndrias e cloroplastos são descendentes de bactérias que viviam em outras células, talvez numa relação simbiótica. Seções 1.3-1.5
Vida extraterrestreOs astrobiólogos estudam a origem e a evolução da vida na Terra e em outros lugares do Universo. Seção 1.6
Neste capítulo
� Neste capítulo, você usará seu conhecimento sobre elementos e compostos orgânicos, com uma ênfase especial nos ácidos nucleicos e na síntese de proteína.
� Você irá considerar as origens dos procariotos e dos eucariotos e suas características, como a membrana celular, o núcleo e outras organelas. Você irá relembrar os mecanismos da fotossíntese.
� Revisar a linha do tempo da história da Terra, o conhecimento de como os fósseis são formados e de como os relógios moleculares funcionam será produtivo.
4 BIOLOGIA UNIDADE E DIVERSIDADE DA VIDA – VOLUME 2
1.1 No início…
� O conhecimento da química e física modernas é a base para hipóteses científicas sobre eventos iniciais na história da Terra.
Origem do universo e nosso Sistema Solar
De acordo com o modelo do Big Bang, o universo come-çou em um instante, quando toda a matéria e energia de repente foram distribuídas a partir de um único ponto. Evidências de que todas as galáxias (grupos de estrelas) conhecidas estão se movendo de uma para outra apoiam este modelo. É como se o universo estivesse inchando como uma bexiga. Medindo o movimento das galáxias e depois trabalhando em sentido reverso, cientistas estima-ram que o Big Bang ocorreu, e que a expansão começou, de 13 a 15 bilhões de anos atrás.
O modelo do Big Bang propõe que elementos sim-ples como o hidrogênio e o hélio se formaram em minu- tos após o nascimento do universo. Então, depois de mi-lhões de anos, a gravidade reuniu esses gases e eles se condensaram na forma de estrelas (Figura 1.2). Reações nucleares dentro dessas estrelas produziram elementos mais pesados. A grande abundância de hélio e hidrogê-nio no universo, com a raridade relativa de elementos mais pesados, é consistente com previsões do modelo do Big Bang.
Explosões de estrelas gigantes mais antigas espalha-ram materiais dos quais as galáxias são formadas. Con-forme uma das hipóteses, nossa galáxia começou como uma nuvem de fragmentos com trilhões de quilômetros
de extensão. Alguns desses fragmentos serviram como material para as estrelas da galáxia. Observações de es-trelas e medidas do tamanho e da luminosidade do Sol sugerem que ele surgiu há aproximadamente 5 bilhões de anos.
Primeiro, uma nuvem de poeira e fragmentos cerca-ram o Sol (Figura 1.3a). A formação do planeta começou quando rochas orbitando o Sol (asteroides) colidiram, formando objetos rochosos maiores. Quanto mais pe-sados esses objetos pré-planetários ficavam, mais gra-vidade eles exerciam e mais material concentravam. Finalmente, há aproximadamente 4,6 bilhões de anos, esse processo organizou a Terra e outros planetas do nosso Sistema Solar.
Condições da Terra no início
A formação dos planetas não retirou todos os fragmentos da órbita ao redor do Sol, então a Terra inicial recebia uma quantidade constante de meteoritos em sua superfície ainda derretida. Mais rochas derretidas e gases saíam de vulcões. Gases liberados por esses vulcões foram a princi-pal fonte da atmosfera inicial.
Como era a atmosfera terrestre inicial? Estudos de erupções vulcânicas, meteoritos, rochas antigas e ou-tros planetas nos dão pistas. Tais estudos sugerem que o ar era formado de vapor-d’água, dióxido de carbono (CO2), hidrogênio (H2) e nitrogênio gasoso (N2). Entre-tanto, a atmosfera terrestre inicial era provavelmente desprovida do gás oxigênio, já que o registro geológico mostra que ferro em rochas só se combinou com oxigê-nio, para formar ferrugem, muito depois na história da Terra.
Se o oxigênio livre tivesse sido abundante, então os compostos orgânicos necessários à vida poderiam não ter sido formados e perpetuados. Se o gás oxigênio estivesse presente, ele poderia ter reagido e desativado compostos orgânicos tão rápido quanto se formaram.
Inicialmente, qualquer quantidade de água que caísse na superfície derretida da Terra evaporaria imediatamen-te. Conforme a superfície resfriava, as rochas se forma-vam. Depois, chuvas levaram os sais minerais contidos nessas rochas, e o sal foi para os primeiros mares. Foi nes-ses mares que a vida começou (Figura 1.3b).
Figura 1.2 Um local de formação contínua de estrelas: colunas de poeira e gases na Eagle Nebula fotografadas pelo telescópio espacial Hubble em 1995. O telescópio recebeu seu nome em homenagem ao astrônomo Edwin Hubble. Sua descoberta de que o universo está se expandindo forneceu a evidência mais recente em apoio ao modelo do Big Bang.
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CECIE STARR, RALPH TAGGART, CHRISTINE EVERS e LISA STARR
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biologia – unidade e diversidade da vida
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diversidade da vida
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diversidade da vida
VOLUME 2 |
OUTRAS OBRAS
Biologia – Unidade e diversidade da vidaVolume 1Tradução da 12ª edição norte-americanaCecie Starr, Ralph Taggart, Christine Evers e Lisa Starr
Introdução à microbiologia – Uma abordagem baseada em estudos de casos Tradução da 3ª edição norte-americanaJohn L. Ingraham e Catherine A. Ingraham
Introdução à climatologiaFillipe Tamiozzo Pereira Torres e Pedro José de Oliveira Machado
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Fundamentos de oceanogra�aTradução da 4ª edição norte-americanaTom Garrison
PRÓXIMO LANÇAMENTO
Biologia – Unidade e diversidade da vidaVolume 3Tradução da 12ª edição norte-americanaCecie Starr, Ralph Taggart, Christine Evers e Lisa Starr
TRADUÇÃO DA 12ª EDIÇÃO NORTE-AMERICANA
TRADUÇÃO DA 12ª EDIÇÃO NORTE-AMERICANA
VOLUM
E 2
CECIE STARR, RALPH TAGGART, CHRISTINE EVERS e LISA STARRVOLUME 2 |
O principal objetivo dos professores que elaboraram esta obra foi apresentar aos alunos um panorama da biologia moderna, focado no modo como esta ciência funciona e na maneira como os novos conhecimentos são produzidos pelos pesquisadores da área. Mesmo que não se tornem biólogos e não se envolvam diretamente com a pesquisa cientí�ca, os alunos que utilizarem este livro terão, para o resto de suas vidas, o instrumental que possibilitará uma tomada consciente de decisões sobre questões que envolvam o meio ambiente, a biotecnologia, a saúde e outros ramos das ciências biológicas. Biologia – Unidade e diversidade da vida • Volume 2 fornece a esses futuros tomadores de decisões um panorama sobre a diversidade biológica, desde a origem da vida no planeta. Os processos de evolução, tema uni�cador da obra, ganham destaque neste volume. A apresentação de pesquisas recentes enfatiza o conceito de que a ciência é um esforço contínuo realizado por uma comunidade diversa de pessoas.
APLICAÇÕESLivro-texto destinado a estudantes do ensino médio, podendo ser utilizado também por estudantes das etapas iniciais dos cursos de ciências biológicas.
ISBN 13 978-85-221-1090-2ISBN 10 85-221-1090-5
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