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Tese de Doutorado
DOI
10.11606/T.41.2010.tde-26082010-163042
Documento
Autor
Nome completo
José Eduardo Amoroso Rodriguez Marian
E-mail
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Paulo, 2010
Orientador
Banca examinadora
Lopes, Sonia Godoy Bueno Carvalho (Presidente)
Migotto, Alvaro Esteves
Perez, José Angel Alvarez
Schlenz, Erika
Vidal, Érica Alves González
Título em português
Estrutura e funcionamento dos espermatóforos de Doryteuthis plei (Mollusca: Cephalopoda) e reavaliação da reação espermatofórica dos cefalópodes
Palavras-chave em português
Cephalopoda - Morfologia
Cephalopoda - Reprodução
Espermatóforo
Loliginidae
Mollusca
Reação espermatofórica
Resumo em português
Cefalópodes coleóides (lulas, sépias e polvos) produzem espermatóforos muito elaborados, os quais são transferidos à fêmea durante a cópula por meio de um apêndice modificado nos machos. Durante a transferência à fêmea, os espermatóforos sofrem, de forma autônoma, drásticas modificações na chamada "reação espermatofórica", complexo processo de evaginação do aparato ejaculatório, que conduz à exteriorização da massa espermática e corpo cimentante. Poucos trabalhos abordam com detalhes a morfologia e anatomia funcional dos espermatóforos dos cefalópodes, grande parte do conhecimento acerca da estrutura do espermatóforo tendo sido gerada por trabalhos clássicos do século XIX e início do século XX. Investigações acerca do funcionamento dos espermatóforos são consideravelmente mais raras, estando o conhecimento básico sobre a reação espermatofórica restrito a apenas 20 espécies de coleóides. Como o funcionamento extracorpóreo dos espermatóforos depende exclusivamente da intrincada estrutura e organização de seus componentes (e.g., membranas e túnicas), somente investigações detalhadas dessas estruturas proverão as bases para a compreensão do funcionamento e da exata função do complexo espermatóforo dos coleóides. Nesse contexto, a presente Tese, organizada em cinco capítulos, teve como objetivo principal investigar a estrutura e o funcionamento dos espermatóforos da lula Doryteuthis plei (Blainville, 1823). No primeiro capítulo, com o objetivo de se estudar a fundo a organização estrutural dos espermatóforos da espécie, diversas técnicas de microscopia foram testadas e empregadas. Como resultado da combinação de diferentes ferramentas de análise, a estrutura do espermatóforo revelou-se ainda mais complexa, sendo as principais descobertas referentes à: 1) elaborada estrutura da membrana mediana, organizada em camadas e apresentando um segmento aboral quimicamente distinto, que envolve parte do corpo cimentante; 2) presença de um material reticulado preenchendo o espaço entre a túnica interna e a membrana mediana (discute-se a possibilidade do mesmo consistir em um fluido viscoso em espermatóforos intactos); 3) presença de espículas intimamente associadas à membrana interna na região do corpo cimentante (além das espículas embebidas no filamento espiral); 4) presença de extensões membranosas que delimitam uma câmara pré-oral na região do capuz; e 5) complexa organização estrutural do corpo cimentante, delimitado por duas camadas e contendo substâncias de distintas propriedades químicas. Uma avaliação cuidadosa da literatura permite sugerir que pelo menos parte dessas características deva ser comum aos espermatóforos de outros loliginídeos, e, em alguns casos, de outros grupos de coleóides. Como parte da investigação acerca da reação espermatofórica e dos mecanismos envolvidos na fixação da massa espermática no corpo da fêmea, constatou-se que, sob condições artificiais, espermatóforos em evaginação são capazes de penetrar musculatura exposta, de forma similar ao fenômeno de "implante profundo" observado naturalmente em algumas lulas oceânicas. Esse resultado foi descrito no segundo capítulo, no qual foi levantada a hipótese de que um mecanismo de perfuração seria inerente à estrutura dos espermatóforos dos coleóides. Dando continuidade ao estudo da morfologia funcional dos espermatóforos de D. plei, o terceiro capítulo apresenta os resultados obtidos a partir da investigação do funcionamento do espermatóforo e da morfologia dos espermatângios (i.e, espermatóforos evertidos) obtidos in vitro, bem como daqueles naturalmente fixados na fêmea. As evidências reunidas permitem afirmar que o processo de fixação compreende distintas fases desempenhadas por diversos componentes do espermatóforo, contrariamente a um conceito anterior de que a fixação seria realizada somente por substâncias adesivas do corpo cimentante. Durante a reação espermatofórica, o aparato ejaculatório e respectivo filamento espiral são capazes de perfurar superficialmente ou escarificar o tecido-alvo. Subseqüentemente, o corpo cimentante sofre drástica modificação estrutural, resultando na extrusão de parte do conteúdo cimentante, o qual é injetado diretamente sobre o tecido perfurado. Além disso, o corpo cimentante é exteriorizado com uma extremidade afilada que, em alguns casos, foi encontrada firmemente implantada no tecido da fêmea, juntamente com as substâncias cimentantes. Concomitantemente ao processo de reconfiguração do corpo cimentante, a região da membrana interna que contém as espículas no espermatóforo intacto é evertida e estirada sobre a base do espermatângio, sugerindo um papel auxiliar no processo de fixação. Com base em evidências da literatura, bem como nas obtidas no âmbito da presente Tese, no quarto capítulo propõe-se um modelo teórico para explicar como o aparato ejaculatório em evaginação seria capaz de perfurar e implantar-se no corpo da fêmea durante a reação espermatofórica. Sugere-se que a perfuração seria mecânica e resultado da ação conjunta do aumento gradual do diâmetro dos anéis do filamento espiral e da distância entre os mesmos, bem como do poder de ancoragem proporcionado pelas respectivas espículas. Finalmente, o quinto capítulo apresenta uma revisão da literatura acerca do fenômeno de implante de espermatóforos em Decapodiformes, e reúne evidências que corroboram o modelo teórico proposto. Neste capítulo, é apresentada também uma reinterpretação da função da reação espermatofórica em Octopodiformes. Com base no levantamento de diversos caracteres reprodutivos, foi possível testar hipóteses de evolução da estrutura do espermatóforo e do sistema de implante dos espermatângios, bem como hipóteses de co-evolução de estruturas envolvidas no processo de transferência e armazenamento de espermatozóides. Duas hipóteses principais acerca da evolução do sistema de implante dos espermatângios são propostas.
Título em inglês
Spermatophore structure and functioning in Doryteuthis plei (Mollusca: Cephalopoda), and a reappraisal of the cephalopod spermatophoric reaction
Palavras-chave em inglês
6. Mollusca
Cephalopoda - Morfology
Cephalopoda - Reproduction
Loliginidae
Spermatophore
Spermatophoric reaction
Resumo em inglês
Male coleoid cephalopods produce elaborate spermatophores, which are transferred to the female during mating. These spermatophores are capable of functioning autonomously and extracorporeally, undergoing complicated changes during the so-called spermatophoric reaction, i.e., a complex process of evagination of the spermatophoric tunics and membranes that, ultimately, leads to the extrusion and attachment of the sperm mass on the females body. Few detailed morphological studies regarding this structure have yet been conducted, and much of the knowledge on the coleoid spermatophore was generated by classical studies of the 19th and early 20th centuries; furthermore, investigations on the functioning of this structure are even rarer. Since the extracorporeal functioning of coleoid spermatophores must rely entirely on the intricate structure and organization of the tunics, membranes, and other structures composing the spermatophore, only detailed investigations of these components would provide the basis for comprehending its mechanics. On these grounds, the present five-chapter Thesis aimed to provide solid evidence that could allow for postulating hypothesis on the functioning and evolution of this unique structure. In the first chapter, an investigation of the morphology of the spermatophore of Doryteuthis plei (Blainville, 1823) applying several microscopy techniques was carried on. A much more complex structural arrangement was revealed for the loliginid spermatophore, the most striking findings being: 1) the complex, layered structure of the middle membrane, which bears an additional, chemically distinct segment surrounding part of the cement body; 2) the presence of a space between the inner tunic and middle membrane filled with a fine reticulated material, presumably a viscous fluid in the fresh state; 3) the presence of stellate particles not only embedded in the spiral filament, but also closely applied to the inner membrane at the level of the cement body; 4) the presence of a pre-oral chamber in the cap region; and 5) the complex organization of the cement body, formed by two distinct layers encompassing contents of different chemical and textural properties. Careful literature reassessment suggests several of these features are common to loliginids, and to some extent to other squids. Their possible functional implications are discussed in light of our knowledge on the spermatophoric reaction mechanics. As part of the investigation on the spermatophoric reaction, and the mechanisms involved in the attachment of the sperm mass on the females body, it was found that the everting spermatophore, when directed towards the incised region of an experimental tissue sample, was able to readily penetrate the artificially exposed musculature, almost resembling natural deep implantation observed in some oceanic and deep-sea squids; this finding is reported in the second chapter, where it was hypothesized that the mechanism involved in deep implantation could be inherent to the 215 spermatophore structure of all squids. The third chapter investigated the functional morphology of the spermatophore of the squid D. plei applying in vitro analysis of the reaction, as well as light and electron microscopy investigation of spermatangia (everted spermatophores containing the sperm mass) obtained either in vitro or naturally attached on the female. Hitherto unnoticed functional features of the loliginid spermatophore revealed herein required a reappraisal of some important processes involved in the spermatophoric reaction, as well as the proposal of new hypotheses to explain their mechanics. The most striking findings concern to the attachment mechanism, which is not carried out solely by cement adhesive material, as previously believed, but rather by a complex process performed by multiple structures that lead to the implantation of the base of the spermatangium into the female body. Firstly, the everting ejaculatory apparatus is presumably able to superficially puncture the female tissue. Subsequently to this process, the cement body passes through a complex structural rearrangement, which leads to the injection of both its viscid cement contents and pointed oral region through the puncture into the female tissue. When the inner membrane at the oral region of the cement body is everted, its sharp stellate particles are exposed, presumptively adhering to the scarified tissue and augmenting attachment by assuring the injection of the cement material inside the superficial hole. The functioning of the loliginid spermatophore is revisited in light of these findings. The forth chapter, building upon evidence from the literature along with evidence from these experiments, proposes a theoretical model to explain how the everting ejaculatory apparatus would be able to mechanically perforate, and concomitantly implant the spermatophore into the female body during the spermatophoric reaction. It is proposed that this process is achieved chiefly through the combination of 1) an "evaginating-helix" mechanism performed by the everting ejaculatory apparatus' spiral filament, and 2) the anchorage provided by its numerous, minute sharp stellate particles. Finally, the fifth chapter reviews the literature concerning the phenomenon of implantation of spermatophores in decapodiforms, and presents evidence corroborating the proposed theoretical model ascribing the role of implantation to the mechanical perforation performed by the spiral filament. The mechanisms of spermatophore transfer are also reviewed for octopodiforms, and a reinterpretation of the function of the spermatophoric reaction in this case is provided. In light of parsimonious character optimizations performed onto recently published phylogenetic trees, a complete ejaculatory apparatus with a spiral filament, as well as the spermatophoric reaction, apparently emerged once and early in the evolution of the Coleoidea. This novelty possibly provided an efficient attachment mechanism and presumably countered the changes associated with the adoption of an active mode of life by coleoids, augmenting fertilization success. Two main hypotheses for the evolution of the complex spermatophore within Coleoidea and Decapodiformes are proposed.
 
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Data de Publicação
2010-09-27
 
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  • COELHO, L. I., et al. Contribuição ao conhecimento da dieta, atividade alimentar e reprodução de Lolliguncula brevis : (Blainville, 1823) na região costeira de Santos (Estado de São Paulo). Boletim do Instituto de Pesca [online], 2010, vol. 36, n. 3, p. 225-236. [acesso 2012-05-15]. Disponível em : <ftp://ftp.sp.gov.br/ftppesca/36_3_225-236rev.pdf>
  • MARIAN, J. E. A. R.. Perforating potential of loliginid spermatophores [doi:10.1093/mollus/eyq038]. Journal of Molluscan Studies [online], 2011, vol. 77, n. 1, p. 98-100.
  • MARIAN, José E. A. R., and DOMANESCHI, Osmar. Unraveling the structure of squids’ spermatophores : a combined approach based on Doryteuthis plei (Blainville, 1823) (Cephalopoda [doi:10.1111/j.1463-6395.2011.00503.x]. Acta Zoologica [online], 2012, vol. 93, n. 3, p. 281-307.
  • MARIAN, José Eduardo A. R.. O enigma da "reação espermatofórica": breve síntese do conhecimento sobre a estrutura e o funcioname. Papéis Avulsos de Zoologia [online], 2011, vol. 51, n. 13, p. 207-219. [acesso 2012-05-15]. Disponível em : <http://www.scielo.br/scielo.php?pid=S0031-10492011001300001&script=sci_arttext>
  • MARIAN, José Eduardo A.R.. Spermatophoric reaction reappraised : Novel insights into the functioning of the loliginid spermatophore based on Doryteuthis plei (Mollusca [doi:10.1002/jmor.11020]. Journal of Morphology [online], 2012, vol. 273, n. 3, p. 248-278.
  • MARIAN, JOSÉ EDUARDO A. R.. A model to explain spermatophore implantation in cephalopods (Mollusca : Cephalopoda) and a discussion on its evolutionary origins and significance [doi:10.1111/j.1095-8312.2011.01832.x]. Biological Journal of the Linnean Society [online], 2012, vol. 105, n. 4, p. 711-726.
  • MOLTSCHANIWSKYJ, N. A., et al. Ethical and welfare considerations when using cephalopods as experimental animals [doi:10.1007/s11160-007-9056-8]. Reviews in Fish Biology and Fisheries [online], 2007, vol. 17, n. -1, p. 455-476.
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