Serpentes habitam grande diversidade de habitats na maior parte do planeta. Tamanha variedade ambiental implica o desempenho de distintos nichos ecológicos e padrões comportamentais, muitas vezes relacionados a diferentes adaptações de seus sistemas visuais. Não apenas a dispersão destes animais oferece oportunidades privilegiadas de investigação, os diversos e particulares históricos evolutivos neste grupo demarcam transições ambientais convenientes para esclarecer a influência da cena visual sobre a organização de sistemas visuais, comportamentos e a filogenia. A análise comparativa da retina destes animais traz informações a respeito de adaptações comportamentais e ecológicas relativas ao ambiente e padrões circadianos de atividade. Neste trabalho foi realizada a análise dos genes de fotopigmentos visuais e da morfologia dos fotorreceptores de duas espécies de serpentes da família Viperidae, Bothrops jararaca e Crotalus durissus terrificus. Três indivíduos de cada espécie foram obtidos junto ao laboratório de Herpetologia do Instituto Butantan. O RNA total foi extraído a partir de retinas homogeneizadas e convertido em cDNA por meio da reação de transcriptase reversa. Os genes de interesse foram amplificados com uso de primers específicos por meio de reação em cadeia de polimerase (PCR). Após purificação dos produtos de PCR foi realizado o sequenciamento dos genes de opsinas visuais expressos nas retinas das duas espécies, lws, rh1 e sws1. Cada opsina, maximamente sensível a uma banda espectral específica e presente em diferentes populações de fotorreceptores da retina, teve o seu pico de absorção estimado com base na estrutura proteica revelada. Adicionalmente, foi conduzida análise dos tipos celulares de células fotorreceptoras da retina das duas espécies de viperídeos, por meio da técnica de imunohistoquímica, visando caracterização morfológica dos fotorreceptores em que estão compreendidas cada classe de opsina. Os resultados obtidos apontam para os mesmos grupos morfológicos de fotorreceptores e a mesma sensibilidade espectral dos respectivos pigmentos visuais, das duas espécies analisadas: cones simples e cones duplos com o fotopigmento LWS, e pico de sensibilidade espectral (max) estimado em ~555nm; cones simples com o fotopigmento SWS1, e max estimado em ~360nm; e bastonetes, com o fotopigmento RH1, com max de ~500nm. Desta forma conclui-se similaridade do nicho ecológico e do histórico natural das duas espécies, que apontam para adaptações ao habito noturno. Isto demonstra o sucesso evolutivo e a versatilidade proporcionada pela disposição de retina duplex dominada por bastonetes. Em B. jararaca e C. d. terrificus, serpentes da subfamília Crotalinae, estas características de organização do sistema visual são somadas à capacidade de detecção de comprimentos de onda infravermelhos, o que aponta para similaridades em relação a serpentes do grupo Henophidia, consideradas evolutivamente mais primitivas, e consagra novamente a vantagens obtidas na manutenção deste padrão sensorial / Serpents inhabit a great diversity of habitats around the planet. Such environmental variability implies the performance of distinct ecological niches and behavior patterns that are related to different visual system adaptations. The diversity of environments inhabited by snakes and their evolutionary history provides a privileged investigative opportunity on the adaptive organization of the visual systems, specific behaviors and phylogeny. The comparative analysis of the retina of those animals provide many information concerning behavior and ecological adaptations related to their respective environment and circadian rhythm patterns. In this study, we performed genetic analysis of the opsin genes and morphological analysis of the photoreceptors of two snakes from the Viperidae family, Bothrops jararaca and Crotalus durissus terrificus. Three subjects of each species were collected at the Butantan Institute. Total RNA was extracted from homogenized retinas, and mRNA was converted to cDNA by reverse transcriptase reaction. The opsin genes lws, rh1 and sws1 were amplified by polymerase chain reactions (PCR), using specific primers. Each opsin is expressed in a different photoreceptor population and is maximally responsive to a determined spectral absorption peak (max) that was inferred according to the protein structure. Additionally, photorreceptor cell populations were analyzed using immunohistochemistry technique. Results point out to the same morphological cell populations and the same absorption peak in their respective opsins in the two species: double and single cones with the LWS photopigment and estimated max at ~555nm; single cones with the SWS1 photopigment and max at ~360nm; and rods with the rhodopsin RH1 photopigment and max at ~500nm. In this way, great similarity of ecological niche and natural history was concluded for both species, which present adaptations to the nocturnal habit. This should demonstrate the great evolutionary success and versatility attained by the rod-domminated duplex retina. In B. jararaca and C. d. terrificus, snakes from the Crotalinae subfamily, those retinal features are summed to the capability of infra-red detection, which point out to similarity with snakes from the basal Henophidia group

Serpentes habitam grande diversidade de habitats na maior parte do planeta. Tamanha variedade ambiental implica o desempenho de distintos nichos ecológicos e padrões comportamentais, muitas vezes relacionados a diferentes adaptações de seus sistemas visuais. Não apenas a dispersão destes animais oferece oportunidades privilegiadas de investigação, os diversos e particulares históricos evolutivos neste grupo demarcam transições ambientais convenientes para esclarecer a influência da cena visual sobre a organização de sistemas visuais, comportamentos e a filogenia. A análise comparativa da retina destes animais traz informações a respeito de adaptações comportamentais e ecológicas relativas ao ambiente e padrões circadianos de atividade. Neste trabalho foi realizada a análise dos genes de fotopigmentos visuais e da morfologia dos fotorreceptores de duas espécies de serpentes da família Viperidae, Bothrops jararaca e Crotalus durissus terrificus. Três indivíduos de cada espécie foram obtidos junto ao laboratório de Herpetologia do Instituto Butantan. O RNA total foi extraído a partir de retinas homogeneizadas e convertido em cDNA por meio da reação de transcriptase reversa. Os genes de interesse foram amplificados com uso de primers específicos por meio de reação em cadeia de polimerase (PCR). Após purificação dos produtos de PCR foi realizado o sequenciamento dos genes de opsinas visuais expressos nas retinas das duas espécies, lws, rh1 e sws1. Cada opsina, maximamente sensível a uma banda espectral específica e presente em diferentes populações de fotorreceptores da retina, teve o seu pico de absorção estimado com base na estrutura proteica revelada. Adicionalmente, foi conduzida análise dos tipos celulares de células fotorreceptoras da retina das duas espécies de viperídeos, por meio da técnica de imunohistoquímica, visando caracterização morfológica dos fotorreceptores em que estão compreendidas cada classe de opsina. Os resultados obtidos apontam para os mesmos grupos morfológicos de fotorreceptores e a mesma sensibilidade espectral dos respectivos pigmentos visuais, das duas espécies analisadas: cones simples e cones duplos com o fotopigmento LWS, e pico de sensibilidade espectral (max) estimado em ~555nm; cones simples com o fotopigmento SWS1, e max estimado em ~360nm; e bastonetes, com o fotopigmento RH1, com max de ~500nm. Desta forma conclui-se similaridade do nicho ecológico e do histórico natural das duas espécies, que apontam para adaptações ao habito noturno. Isto demonstra o sucesso evolutivo e a versatilidade proporcionada pela disposição de retina duplex dominada por bastonetes. Em B. jararaca e C. d. terrificus, serpentes da subfamília Crotalinae, estas características de organização do sistema visual são somadas à capacidade de detecção de comprimentos de onda infravermelhos, o que aponta para similaridades em relação a serpentes do grupo Henophidia, consideradas evolutivamente mais primitivas, e consagra novamente a vantagens obtidas na manutenção deste padrão sensorial / Serpents inhabit a great diversity of habitats around the planet. Such environmental variability implies the performance of distinct ecological niches and behavior patterns that are related to different visual system adaptations. The diversity of environments inhabited by snakes and their evolutionary history provides a privileged investigative opportunity on the adaptive organization of the visual systems, specific behaviors and phylogeny. The comparative analysis of the retina of those animals provide many information concerning behavior and ecological adaptations related to their respective environment and circadian rhythm patterns. In this study, we performed genetic analysis of the opsin genes and morphological analysis of the photoreceptors of two snakes from the Viperidae family, Bothrops jararaca and Crotalus durissus terrificus. Three subjects of each species were collected at the Butantan Institute. Total RNA was extracted from homogenized retinas, and mRNA was converted to cDNA by reverse transcriptase reaction. The opsin genes lws, rh1 and sws1 were amplified by polymerase chain reactions (PCR), using specific primers. Each opsin is expressed in a different photoreceptor population and is maximally responsive to a determined spectral absorption peak (max) that was inferred according to the protein structure. Additionally, photorreceptor cell populations were analyzed using immunohistochemistry technique. Results point out to the same morphological cell populations and the same absorption peak in their respective opsins in the two species: double and single cones with the LWS photopigment and estimated max at ~555nm; single cones with the SWS1 photopigment and max at ~360nm; and rods with the rhodopsin RH1 photopigment and max at ~500nm. In this way, great similarity of ecological niche and natural history was concluded for both species, which present adaptations to the nocturnal habit. This should demonstrate the great evolutionary success and versatility attained by the rod-domminated duplex retina. In B. jararaca and C. d. terrificus, snakes from the Crotalinae subfamily, those retinal features are summed to the capability of infra-red detection, which point out to similarity with snakes from the basal Henophidia group

As estruturas oculares dos vertebrados apresentam diversas adaptações relacionadas aos hábitats e atividades das espécies. A infra-ordem Serpentes possui amplo número de espécies distribuídas em quase todas as regiões da Terra e seu sistema visual apresenta variações que apontam para adaptações ecológicas. O presente estudo teve por objetivo fazer uma análise comparativa do sistema visual de diferentes espécies de serpentes Caenophidia, das famílias Dipsadidae e Colubridae, centrada no potencial de visão de cores, na densidade e topografia celular da retina e na acuidade visual. Para tanto, foram identificados os genes de opsinas expressos nas retinas, e analisadas a densidade e distribuição dos diferentes tipos de fotorreceptores e das células da camada de células ganglionares (CCG). As serpentes obtidas junto ao Laboratório de Herpetologia do Instituto Butantan foram sacrificadas com dose letal do anestésico thiopental. Os olhos foram enucleados e as retinas dissecadas para estudos genéticos e morfológicos, com imunohistoquímica e coloração de Nissl. Para sequenciamento dos genes das opsinas SWS1, Rh1 e LWS, dois olhos de 17 espécies foram utilizados. A amplificação por PCR mostrou que os três genes são expressos nas retinas de todas as espécies analisadas; o pico de sensibilidade espectral (max) de cada opsina foi estimado a partir das sequências de aminoácidos. O max do fotopigmento SWS1 foi estimado em 360 nm (UV), para todas as espécies. O fotopigmento Rh1, apresentou três diferentes combinações de aminoácidos que geram picos de sensibilidade em 500 nm, 494 nm e 484 nm. Todas as espécies de serpentes diurnas apresentaram a combinação de aminoácidos que gerou o max 484 nm. O fotopigmento LWS apresentou 4 diferentes combinações de aminoácidos, com max variando entre 543 nm e 560 nm. Para os estudos morfológicos foram utilizadas 86 retinas de 20 diferentes espécies. Retinas íntegras foram marcadas com anticorpos específicos para quantificação e análise topográfica de fotorreceptores. A coloração de Nissl foi empregada em retinas planas para quantificação de células da CCG e cálculo da acuidade visual. As análises morfológicas em retinas de serpentes noturnas mostraram uma grande densidade média de fotorreceptores (82.042 ± 37.945 células/mm2), com predominância de bastonetes, enquanto espécies diurnas apresentaram baixa densidade média de fotorreceptores (11.290 ± 2.810 células/mm2) e ausência de bastonetes. Serpentes noturnas apresentaram densidade média mais baixa de células da CCG (7.653 ± 1.636 4 células/mm2) comparada às diurnas (9.575 ± 2.301 células/mm2). O poder de resolução espacial também foi maior em espécies diurnas (2,3 ± 0,7 cpg) do que nas noturnas (1,45 ± 0,4 cpg). A distribuição de fotorreceptores e células da CCG nas retinas mostrou a presença de area centralis em diferentes regiões das retinas de espécies noturnas, e faixa horizontal em retinas das espécies diurnas, com exceção da serpente aquática e diurna Helicops modestus, que apresentou area centralis. As diferenças de localização das areae centralis variaram de acordo com hábitat e características comportamentais das espécies. Serpentes fossoriais do gênero Atractus, por exemplo, apresentaram area centralis na região dorsal da retina, que favorece o campo de visão inferior e auxilia no comportamento de escavar. Os resultados obtidos neste abrangente estudo apontam para a complexidade das adaptações do sistema visual deste grupo de vertebrados. As variações do padrão de atividade (diurna ou noturna) e uso de hábitat parecem ser fatores de forte influência sobre as características do sistema visual, como a sensibilidade espectral dos pigmentos visuais, a densidade e distribuição de neurônios nas retinas e o poder de resolução espacial do olho / The structures of vertebrate eyes have many adaptations related to the habitats and activities of the species. The infra-order Serpentes has a large number of species distributed in almost all regions of the Earth and its visual system presents variations that point to ecological adaptations. This study aimed to compare the visual system of different species of Caenophidian snakes, from the Dipsadidae and Colubridae families. To do so, the opsin genes expressed in the retinas were identified and the density and distribution of the different types of photoreceptors and the cells of the ganglion cell layer (GCC) were analyzed. The snakes were colected from Butantan Institute and were sacrificed with a lethal dose of the anesthetic thiopental. The eyes were enucleated and the retinas dissected for genetic and morphological studies, using Nissl stainig technique and immunohistochemistry. For the sequencing the opsins genes SWS1, Rh1 and LWS, two eyes of 17 species were colected. PCR amplification showed that the three opsin genes are expressed in the retinas of all species analyzed; the maximum spectral sensitivity (max) of each opsin was estimated based on the amino acid sequences. The max of the SWS1 photopigment was estimated at 360 nm (UV), for all species. The photopigment Rh1 had three different combinations of amino acids that generate max at 500 nm, 494 nm and 484 nm. All diurnal species had the amino acid combination that generate the max at 484 nm. The photopigment LWS had 4 different combinations of amino acids with max ranging from 543 nm to 560 nm. For morphological studies, 86 retinas of 20 different species were analyzed. Wholemounted retinas were stained with specific antibodies for analysis of the photoreceptors density and topography. The Nissl stainig technique was used for quantification of GCL cells in flatmounted retinas and estimation of the spatial resolving power. Nocturnal snakes had retinas with higher photoreceptor densities (82,042 ± 37,945 cells/mm2), with predominance of rods, compared to diurnal species that had low photoreceptors density (11,290 ± 2,810 cells/mm2) and the absence of rods. On the other hand, diurnal snakes had higher density of GCL cells (9,575 ± 2,301 cells/mm2) and spatial resolving power (2.3 ± 0.7 cpd), compared to nocturnal (7,653 ± 1,636 cells/mm2 and 1.45 ± 0.4 cpg). The distribution of cells in the retinas had variations related to the circadian rhythm of the species, with the presence of area centralis in retinas of nocturnal species and horizontal streak in retinas of diurnal snakes, except for the diurnal and aquatic Helicops 6 modestus, that had an area centralis in the ventral retina. The location of the area centralis varies according the habitat and specific behavior of each species. The fossorial snake Atractus, for example, had an area in the dorsal retina, which improves the resolution of the inferior visual field and benefits the digging habit in this snake. The results of this comprehensive study point to the complexity of adaptations of the visual system of this group of vertebrates. The differences in the activity pattern (diurnal or nocturnal) and habitat seem to be of great influence on the characteristics of the visual system, such as the spectral sensitivity of the visual pigments, the density and distribution of neurons in the retina and the spatial resolving power of eye

Made available in DSpace on 2014-12-17T15:37:13Z (GMT). No. of bitstreams: 1 PedroZPMRM_DISSERT.pdf: 485516 bytes, checksum: 5e7cc13b6cdb53047d1dea3153509081 (MD5) Previous issue date: 2012-05-29 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Cient?fico e Tecnol?gico / Among placental mammals, primates are the only ones to present trichromatic color vision. However, the distribution of trichromacy among primates is not homogeneous: Old World primates shows an uniform trichromacy (with all individuals being trichromats) and New World primates exhibit a color vision polymorphism (with dichromatic males and dichromatic or trichromatic females). Visual ecology studies have investigated which selective pressures may have been responsible for the evolution of trichromacy in primates, diverging from the dichromat standard found in other mammals. Cues associated with foraging and the socio-reproductive status were analyzed, indicating a trichromatic advantage for the rapid detection of visually conspicuous objects against a green background. However, dichromats are characterized by an efficient capture of cryptic and camouflaged stimuli. These advantages regarding phenotype may be responsible for the maintenance of the visual polymorphism in New World primates and for the high incidence of color blindness in humans (standing around 8% in Caucasian men). An important factor that has not yet been experimentally taken into account is the predation risk and its effect on the evolution of trichromacy in primates. To answer this question, we prepared and edited pictures of animals with different coats: oncillas (Leopardus spp.), puma (Puma concolor) and ferret (Galictis cuja). The specimens were taxidermized and the photographs were taken in three different vegetation scenarios (dense forest, cerrado and grassland). The images of the predators were manipulated so that they fit into two categories of stimulus size (small or large). After color calibration and photo editing, these were presented to 40 humans (20 dichromats and 20 trichromats) by a computer program, which presented a set of four photos at a time (one picture containing the taxidermized animal amid the background vegetation and three depicting only the background vegetation) and recorded the response latency and success rate of the subjects. The results show a trichromatic advantage in detecting potential predators. The predator detection was influenced by the background, the predator species, the dimension of the stimulus and the observer s visual phenotype. As humans have a high rate of dyschromatopsias, when compared to wild Catarrhini or human tribal populations, it is possible that the increased rate of dichromats is a result of reduced pressure for rapid predator detection. Since our species came to live in more cohesive groups and resistant to attack by predators, with the advent of agriculture and the formation of villages, it is possible that the lower risk of predation has reduced the selection in favor of trichromats / Dentre os mam?feros placent?rios, os primatas s?o os ?nicos a apresentarem uma vis?o de cores tricromata. Contudo, a distribui??o da tricromacia dentre os primatas n?o ? homog?nea: primatas do Velho Mundo apresentam uma tricromacia uniforme (com todos os indiv?duos sendo tricromatas) e primatas do Novo Mundo apresentam um polimorfismo de vis?o de cores (com machos dicromatas e f?meas dicromatas ou tricromatas). Estudos em ecologia visual t?m investigado que press?es seletivas podem ter sido respons?veis pela evolu??o da tricromacia em primatas, divergindo do padr?o dicromata encontrado nos demais mam?feros. Pistas associadas ao forrageio e ao contexto s?cio-reprodutivo foram analisadas, indicando uma vantagem tricromata na detec??o r?pida de objetos visualmente consp?cuos no ambiente. Entretanto, dicromatas s?o caracterizados pela captura eficiente de est?mulos cr?pticos e camuflados. Estas vantagens relativas aos fen?tipos podem ser respons?veis pela manuten??o do polimorfismo visual em primatas do Novo Mundo e pelo alto ?ndice de daltonismo em humanos (situando-se em torno de 8% em homens caucasianos). Um importante fator que ainda n?o foi levado experimentalmente em conta ? o risco de preda??o e o seu efeito na evolu??o da tricromacia em primatas. Para responder esta pergunta, n?s preparamos e editamos fotografias de animais com pelagens distintas: gatos-do-mato (Leopardus spp.), puma (Puma concolor) e fur?o (Galictis cuja). Os exemplares estavam taxidermizados e as fotografias foram capturadas em tr?s diferentes cen?rios de vegeta??o (mata fechada, cerrado e campo aberto). As imagens dos predadores foram manipuladas para que eles se encaixassem em duas categorias de tamanho de est?mulo (pequenos ou grandes). Ap?s a calibra??o das cores e edi??o das fotos, estas foram apresentadas a 40 humanos (20 dicromatas e 20 tricromatas) por um programa de computador, o qual apresentava um conjunto de quatro fotos por vez (uma foto contendo o animal taxidermizado em meio ? vegeta??o de fundo e outras tr?s contendo apenas a vegeta??o de fundo) e registrava a lat?ncia de resposta e a taxa de acerto dos sujeitos. Os resultados apontam uma vantagem tricromata na detec??o de potenciais predadores. A detec??o dos predadores foi influenciada pelo cen?rio de fundo, pelo tipo de predador, pela sua dimens?o e pelo fen?tipo visual do observador. Como os humanos apresentam uma elevada taxa de discromatopsias, quando comparados com popula??es selvagens de outros Catarrhini ou mesmo popula??es humanas tribais, ? poss?vel que o aumento no ?ndice de dicromatas seja resultado de uma press?o reduzida de detec??o r?pida de predadores. Uma vez que nossa esp?cie passou a viver em grupos mais coesos e resistentes aos ataques de predadores, com o advento da agropecu?ria e a forma??o de vilas, ? poss?vel que o menor risco de preda??o tenha relaxado a sele??o a favor de tricromatas