The main objective of the diploma thesis was to create a project of a tutorial on the subject of animal and human biorhythms. The tutorial is intentioned as an additional biology curriculum at grammar schools. Analysis of teaching biorhythms in secondary Biology schoolbooks used in the Czech Republic preceded a composition of this tutorial. Processing literary research based on reading Czech and foreign-language literature was another theoretical resource. The tutorial is divided into three parts {--} {\clqq}Animal Biorhythms``, {\clqq}Human Biorhythms`` and {\clqq}Seasonal Animal Biorhythms``. Some parts of the tutorial were verified in practice.

O núcleo supraquiasmático (NSQ), principal relógio biológico circadiano em mamíferos, contem população variada de neurônios produtores de diferentes substâncias neuroativas. Em roedores, as pesquisas avançaram na investigação dos mecanismos moleculares e substâncias neuroativas, que em conjunto determinam a função do relógio biológico. Entretanto, há poucas informações em espécies diurnas, especialmente primatas sobre esta organização intrínseca que não raramente apresenta diferenças nas espécies estudadas. O presente estudo busca identificar a natureza química dos principais grupamentos neuronais do NSQ no primata diurno Cebus apella, relacionando a localização destes grupamentos com as três principais projeções aferentes deste núcleo. Os resultados obtidos evidenciam organização complexa do NSQ, caracterizada por grupos celulares contendo vasopressina, polipeptídeo intestinal vasoativo e marcador de diferenciação neural com localização semelhante a de roedores e células que contém calbindina e calretinina com localização diferente da de roedores. / The suprachiasmatic nucleus (SCN), the main circadian clock in mammals, contains diverse population of neurons of different neuroactive substances. In rodents, there has been extensive research in the recent past looking into the molecular basis and mechanisms of the biological clock. However, there is little information in diurnal species, especially primates about this organization seldom has no intrinsic differences in the species studied. This study seeks to identify the chemical nature of the main groups of SCN neurons in diurnal primate Cebus apella, relating the location of these groups with the three major afferent projections from this nucleus. The results show complex organization of the SCN, characterized by cell groups containing vasopressin, vasoactive intestinal polypeptide and neuronal differentiation marker in the same location and rodent cells that contain calbindin and calretinin with location different from that of rodents.

O dinoflagelado unicelular marinho fotossintetizante Gonyaulax polyedra tem sido utilizado como modelo para o estudo de relógios biológicos. Neste organismo já foram descritos os ritmos de: migração vertical, divisão celular, atividade de superóxido dismutase e nitrato redutase, bioluminescência e capacidade fotossintética. Investigamos a variação circadiana dos pigmentos carotenóides e de RuBisCo II e PCP, as quais estão intimamente ligadas ao processo fotossintético. Experimentos de supressão de espécies reativas de oxigênio (EROs) por carotenóides foram preparados e mostraram que extratos de carotenóides de G. polyedra são capazes de suprimir o O2(1Δg) (oxigênio singlete) in vitro confirmando o importante papel destes no controle das EROs nestas algas. Os extratos metanólicos apresentaram vários pigmentos, tais como clorofila a, β-caroteno e peridinina em diferentes concentrações. A peridinina representa 80 % do total de carotenóides enquanto que o β-caroteno somente 4%. As análises dos cromatogramas de HPLC mostraram que a razão peridinina/clorofila a não varia ao longo de 24 h porém, por outro lado, o β-caroteno apresenta uma variação significativa na sua quantidade, com níveis duas vezes maiores no meio do dia em comparação com os níveis no meio da noite. Esta variação é conservada mesmo quando as células são mantidas em condições de luz constante. A curva de dose-resposta para a síntese de β-caroteno induzida pela luz mostra uma resposta linear com 45 minutos de exposição a luz branca. A indução é máxima quando utilizamos as células do meio período da noite (CT 18) que após esta exposição apresentam níveis de β-caroteno semelhantes as células do meio do dia. Esta alteração de fase no CT 18 sugere que este pigmento pode ser um dos compostos-captadores de luz envolvidos no mecanismo de ajuste de fase por luz em G. polyedra. Culturas de G. polyedra do meio da noite foram expostas à diferentes irradiações (azul, vermelha e verde) e os seus pigmentos extraídos e analisados. Em outra série de experimentos, as células foram mantidas durante o período de claro (12: 12 h) sob diferentes irradiações (vermelha, verde e azul) por 36 horas e os seus pigmentos analisados. Os resultados sugerem que a síntese foto-induzida e a oscilação circadiana do β-caroteno estão ligadas a um fotorreceptor de luz azul/ verde. Nas condições utilizadas não foram observadas variações significativas no conteúdo protéico da RuBisCo II e da PCP ao longo do dia. As análises de RNA total da RuBisCo II mostram que não há variação nos seus níveis quando as células são coletadas no meio do dia e no meio da noite. Quando expostas a condições adversas, G. polyedra apresenta a capacidade de encistar. Embora se conheça bem este mecanismo de defesa, existem poucas informações sobre o estado fisiológico destas células. Células encistadas induzidas por dias curtos apresentam uma alteração na composição de pigmentos com diminuição nas quantidades de β-caroteno e de clorofila a e aumento da quantidade de peridinina, indicando um rearranjo do aparato fotossintético nesta situação, com a peridinina desempenhando um papel mais estrutural. Em consequência, embora o conteúdo protéico de RuBisCo permaneça inalterado, os níveis protéicos de PCP se encontram diminuídos nas células encistadas. / Gonyaulax polyedra, a marine dinoflagellate which has been used as a model to study the biological clock, displays numerous circadian processes, such as bioluminescence, cell aggregation, cell division, superoxide dismutase and nitrate reductase activities and photosynthesis. In this alga, the photosynthesis is maximal in the middle of the day and minimal in the middle of the night. We investigated the pigments content and the amounts of two proteins related to the photosynthesis: ribulose- 1,5- bisphosphate carboxylase/ oxygenase form II (RuBisCo II) and peridinin: chlorophyll a: protein (PCP) in a 24 h cycle. Using the thermal decomposition of 1,4-dimethylnaphtalene endoperoxide, it was shown that the carotenoids could act as effective quenchers of synglet oxygen in G. polyedra. G. polyedra pigments were extracted every three hours over 24 hours. The amounts of peridinin and chlorophyll a remain constant over the day while the levels of β-carotene oscillate, being two times higher at the day than at the night phase. This variation persists when the cells were kept under constant dim light. The dose-response curve for light-induced β-carotene synthesis showed a linear response up to 45 minutes of light exposure, after which night-phase cells contained the same levels of β-carotene as day-phase cells. Cells exposed to light pulses at different times displays the highest β-carotene induction in the middle of the night. This may suggest that β-carotene may be one of the light-harvesting compounds involved in the light induced phase-shift in Gonyaulax polyedra. To identify which was the photoreceptor involved in β-carotene synthesis, cell of the middle of the night-phase (CT 18) were exposed for 45 minutes to different irradiations (red, blue and green) and their pigments extracted and analysed. Also, cells were grown under red, blue and green light during the light phase (12 h light: 12 h dark ) for 36 hours and their pigments analysed. The results suggested that the circadian oscillation and the photoinduced response synthesis of β-carotene, are related to a blue light receptor. The amounts of RuBisCo II and PCP do not change over the circadian cycle when the cultures were grown under constant dim light. The levels of these proteins also remain constant when cells were kept under ither white light or different light qualities (red, blue and green ) in light: dark (12: 12 h) regime. The G. polyedra RuBisCo form II transcrits levels are the same in middle-day and middle-night cells, suggesting a post-translational control for this enzyme in this organism. Adverse environmental conditions elicit the encystment of G. polyedra. Our results showed an alteration in pigment composition of cysts. An increase in peridinin levels and a decrease in β-carotene and chlorophyll a content were observed. Although RuBisCo form II protein levels remained constant, there was a reduction in the amounts of PCP in cysts. This suggests an important role in thylakoids structure stabilizer for free peridinin.

Os comportamentos coletivos observados em colônias de insetos eussociais muitas vezes podem ser explicados apenas pelo comportamento dos indivíduos que compõe a colônia. De fato, em muitas condições essa previsão se concretiza. Em outras condições o comportamento individual apenas não explica o comportamento coletivo. Atualmente sabe-se que vários fatores individuais, sociais e ambientais influenciam no comportamento que indivíduos, mesmo que de carga genética idêntica, irão apresentar. A divisão de tarefas observada nas colônias de insetos eussociais é um exemplo de como indivíduos semelhantes morfológica e geneticamente adotam comportamentos diferentes dependendo de inúmeros fatores inerentes à organização social. A relação entre o comportamento dos indivíduos e as condições ambientais é intima, principalmente em relação às condições cíclicas. Inclusive existe um sistema fisiológico nos organismos que marca essa relação entre o comportamento e o tempo. Espera-se que cada indivíduo de uma colônia de insetos eussociais esteja munido desse aparato e que eles sejam semelhantes. Entretanto, em saúvas essa relação entre comportamento e ritmos ambientais se apresenta de maneira confusa. A colônia é noturna, com a maior atividade de suas operárias ocorrendo à noite, entretanto, vários indivíduos são vistos na fase de claro. Ou as forrageadoras são arrítmicas e podem forragear em qualquer fase do dia, ou as formigas se dividem em turno de trabalhos. A presente dissertação tem por objetivo descrever a existência de divisão temporal de tarefas em formigas saúvas. Foram marcadas formigas em diferentes fases (claro e escuro) e turnos (horários específicos) e observou-se a distribuição do engajamento dessas formigas marcadas na tarefa de forrageamento ao longo de cinco dias nessas diferentes fases e turnos. Foi medido também o tamanho das formigas que foram observadas em claro e em escuro e a relação entre a atividade da colônia e a eficiência na coleta de alimento Os resultados indicam que as formigas de fato dividem temporalmente a tarefa de forrageamento. Formigas de claro e formigas de escuro constituem grupos distintos, que forrageiam preferencialmente no mesmo horário. Além disso, essa divisão apresenta forte correlato com a morfologia, formigas de claro são maiores que formigas de escuro. Aparentemente essa divisão temporal de tarefa acarreta em implicações para a eficiência de forrageamento. No claro, apesar de o número de formigas observadas ser menor, a eficiência na coleta de alimentos é maior do que no escuro. A relação observada entre a morfologia e a divisão temporal de tarefas pode ser explicada pela relação de resistência às condições ambientais. Formigas maiores tendem a ser mais resistentes a temperaturas mais elevadas. Como a incidência solar e a temperatura é maior no claro, faz sentido que exista essa divisão. Entretanto, resta saber quais mecanismos fisiológicos podem gerar indivíduos geneticamente semelhantes, mas que se relacionam de maneira diferente com as condições cíclicas do ambiente / The collective behavior observed in social colonies can be explained by the behavior of its individuals, most of the time. Thus, it is expected that all workers should display the same behavior. Indeed, this prediction is fulfilled in many cases. However, many collective behaviors cannot be explained only by individual behaviors. Nowadays it is known that many individual, social and environmental conditions modulate the individual, and consequently, the collective behavior. The division of labor observed in social colonies is an example of different behaviors displayed by similar individuals reared in different conditions. Behavior and environmental conditions are closely related, especially regarding the cyclic conditions. A physiological system whose function is modulate behavior concerning time was described. It is expected that each individual in a social colony bear this system and that they mark the same relationship. However, in leaf-cutting ants this system and the relationship between behavior and cyclic conditions appear to be more complex. The colony is nocturnal, because the main worker activity time happens at night; however, there is a significant amount of ants observed at day. Or the workers are arrhythmic and are able to forage at any time, or they divide the labor in work shifts. This dissertation aims to describe the process of temporal division of labor in leaf-cutting ants. Workers of leaf-cutting ants were marked in different phases (dark and light) and shifts (specific time windows). This marked ants engagement in foraging was observed along five days on the same phases and shifts. Light and dark ants body size was measured as well as the correlation between colony activity and the food retrieval efficiency. The results show that leaf-cutting ants indeed divide the labor in work shifts. Light ants and dark ants establish distinct groups. Additionally, there is difference in the ant body size of those groups: light ants are bigger than dark ants. It seems that the temporal division of labor implies in food retrieval efficiency differences. Although the fewer ants in the light phase, the food retrieval is bigger in light than in dark. The relationship between morphology and temporal division of labor can be explained by the difference in thermal tolerance of different ant body size. Bigger ants can withstand higher temperature than smaller ants. It makes sense, day temperature is higher than night\'s. Hence, the process and physiological mechanisms that generate genetically similar workers whose relation to light-dark cycles is different remains to be studied

Nos mamíferos os núcleos supraquiasmáticos regulam os ritmos circadianos do organismo. A melatonina, hormônio da glândula pineal, é um importante regulador dos ritmos de atividade motora (AM) e temperatura corporal (TC), sendo a sua produção influenciada pelo diabetes mellitus tipo I (DM1). Foram avaliados os efeitos do DM1 sobre os ritmos de TC e AM, seus parâmetros rítmicos, peso e glicemia, assim como as modificações pelos tratamentos tardios e precoces com insulina, melatonina ou ambos. O diabetes rompeu o ritmo de TC, alterou o ritmo de AM, e reduziu a TC e AM. Os tratamentos INS e INS+MEL reverteram o quadro. MEL restaurou apenas alguns parâmetros rítmicos, sendo mais eficiente sobre a AM. Esses resultados mostram que o DM1 altera os ritmos de TC e AM. Os tratamentos INS e INS+MEL revertem o quadro, sendo INS+MEL mais eficiente. A MEL atenua os efeitos deletérios, sendo mais evidente na AM. A insulina é mais rápida, mais duradoura e mais eficiente que a melatonina, que age melhor sobre a AM, e essas melhoras dependem da continuidade dos tratamentos. / In mammals the suprachiasmatic nuclei regulate the circadian rhythms of the body. Melatonin, the pineal gland hormone, is a major regulator of the body temperature (BT) and home cage activity (HCA) rhythms. Its production is influenced by type 1 diabetes mellitus (T1DM). The present work studied the effects of T1DM on BT and HCA rhythms, its rhythmic parameters, glycaemia and body weight and the modifications resulting from early and late treatment with insulin, melatonin or both, in rats. Diabetes disrupted the BT rhythm, altered HCA rhythm, and led to hypothermia and reduced HCA. Late INS and INS+MEL reverted to normal. MEL restored some rhythmic parameters, being more evident on HCA. Taken together, T1DM alters BT and HCA rhythms. INS and INS+MEL treatments revert to normal, being INS+MEL more efficient. MEL attenuates the diabetic state, being more evident on HCA. Insulin effects are faster, last longer and are more efficient than melatonins, which are more evident on HCA, and these beneficial effects depend on the maintenance of the treatments.

O ciclo vigília/sono (CVS) muda durante a adolescência. Nos dias letivos, há maior sonolência diurna e menor duração de sono do que nos finais de semana. Além disso, os adolescentes apresentam atraso da fase de sono. Acredita-se que essas mudanças resultam da interação entre fatores biológicos e ambientais. Neste trabalho, observamos o CVS de 21 jovens Guarani da Aldeia Boa Vista - SP, que vivem numa floresta, sem energia elétrica. Pretendíamos verificar se eles apresentam um padrão semelhante ao descrito em adolescentes urbanos ou se tal característica é menos evidente, como tem sido relatado na população rural. Aplicamos o Questionário de Hábitos de Sono e o Questionário de Matutinidade e Vespertinidade. Os participantes preencheram diários de sono, usaram actímetros e coletaram temperatura a cada 3 horas, na vigília, por 10 ou mais dias consecutivos em 3 ocasiões com intervalos de 6 meses. Fizemos inspecção visual dos actogramas de diários e actímetros, comparando-os entre si por meio de teste t de Student; avaliamos a significância das oscilações da temperatura pelo Método Cosinor; utilizamos as correlações de Pearson e Spearman para identificar relações entre variáveis, adotando como nível de significância α=0,05. Comparamos as etapas e discutimos os resultados no cenário de outras pesquisas realizadas com adolescentes. Observamos atraso da fase do sono e da temperatura oral nos Guarani, conforme descrito entre adolescentes de regiões urbanas, e menor duração do sono nos finais de semana do que nos demais dias. Os resultados apontam para a importância de fatores biológicos no atraso da fase dos ciclos vigília/sono e de temperatura na adolescência. / The sleep/wake cycle (SWC) changes along adolescence. During weekdays there is higher diurnal sleepiness and shorter sleep duration than on weekends; moreover, they display sleep phase delay. Some authors believe these changes result from the interaction between biological and environmental factors. In this work, we observed the SWC in 21 adolescents from the ethnic group Guarani living in Boa Vista village (São Paulo) who live in a rural area, without electric light. We intended to verify whether they show a SWC pattern similar to that found in urban adolescents or if these characteristics are less evident under their condition as has been reported for rural area adolescents. We applied Sleep Habits and Morningness-Eveningness questionnaires. The participants kept Sleep Diaries and wore wrist actimeters for at least 10 consecutives days, and collected oral temperature every 3 hours when awake. This protocol was applied on 3 occasions with 6 months intervals between them. We examined the actograms from Diaries and Actimetries, comparing them with t Student test; we evaluated the temperature oscillations by Cosinor Method, we used Pearson’s and Spearman’s correlations in order to identify relationships between the measures, adopting the significance level at α=0.05. We compared the occasions and considered our results in the context of adolescent sleep researches. We observed sleep and temperature phase delays in Guarani adolescents similar to the delays found in other groups, as well as shorter sleep duration on weekends than on weekdays. Our results point to the importance of biological factors on sleep/wake and temperature phase delays along adolescence.

Hipotensão pós-exercício é o fenômeno de redução da pressão arterial sistêmica por minutos ou horas após a realização de atividade física, sendo considerado uma resposta fisiológica para o controle pressórico. Fatores como nível pressórico, aptidão física e tipo de exercício físico, contribuem para potencializar a resposta hipotensora pós-exercício, contudo, apesar de ser conhecido que a pressão arterial não possui valor constante ao longo das 24 horas, ainda não foi investigado se existe diferença na resposta hipotensora quando o exercício físico é realizado em diferentes horários do dia. À vista disso, 16 mulheres foram divididas em dois grupos; Adultos Maduros (n=8; 58,7 + 10,9 anos) e Adultos Jovens (n=8; 21 + 4,3 anos). Cada grupo realizou três sessões experimentais; duas compostas de exercício físico resistido de baixa intensidade (dez exercícios a 40% de uma repetição máxima) realizados em diferentes fases do dia, manhã (07:30h) e noite (18:00h), e uma sessão controle - sem a realização de exercício físico. A pressão arterial foi medida por 24 horas após as sessões, a percepção de desconforto avaliada por meio de inventário. Em suma, descrevemos que: (1) Não constatamos redução pressórica no grupo Adultos Jovens em nenhuma das fases avaliadas. Observamos hipotensão pós-exercício no grupo Adultos Maduros de forma intermitente por 5 horas na variável pressão arterial média após o exercício realizado na fase matutina. Com base na análise de Fourier e da própria observação do comportamento pressórico da pressão arterial média, podemos observar que o exercício matutino atenuou o padrão pressórico ultradiano, como consequência, a pressão arterial média manteve-se a níveis abaixo da sessão controle; (2) Na avaliação da percepção de desconforto, o grupo Adultos Jovens quando comparado com o grupo Adultos Maduros, apresentou maior desconforto ao realizar o exercício na fase matutina, já na sessão com exercício noturno, encontramos pouca alteração na percepção de desconforto de adultos jovens e adultos maduros / Post exercise hypotension is a phenomenon of decreased blood pressure by minutes or hours after physical exercise, being considered a physiological response in blood pressure control. Factors such as blood pressure level, physical ability and type of exercise, contribute to potentiate post exercise hypotension, however, despite being known that blood pressure has no constant value over 24 hours, still not been investigated whether there are differences in the hypotensive response when exercise is performed at different times of the day. In view of this, 16 women were divided into two groups; Mature adults (n = 8; 58.7 ± 10.9 years) and Young Adults (n = 8; 21 ± 4.3 years). Each group performed three experimental sessions; two with low intensity resitance exercise (tem exercise at 40% one repetition maximum) was performed at two phases, morning (07: 30h) and night (18: 00h), and a control session without performing physical exercise. Blood pressure was measured during 24 hours after the sessions, perception of discomfort assessed by inventory. We describe that: We did not found blood pressure reduction in Young Adults group for none of the phases. We observed intermittently post-exercise hypotension Mature Adults group for five hours in mean arterial pressure after morning exercise. Based on Fourier Analysis and own observation mean arterial pressure behavior, we can observe that the morning exercise attenuated ultradian pressor pattern, As a result, average blood pressure levels remained below than control session; (2) In assessing the perception of discomfort, Young Adults group compared with Mature Adults group, showed greater discomfort to perform the exercise in the morning phase, during nightly exercise, we found little perception of discomfort change in Young Adults and Mature adults

O metabolismo energético é dependente, dentre outros fatores, de uma temporização circadiana entre os tecidos participantes da regulação metabólica. O processo de sincronização parece depender da expressão dos genes relógio e de mediadores como a melatonina, que associam o oscilador central e os osciladores periféricos. Investigamos o papel da melatonina na expressão dos genes relógio em tecidos periféricos, onde ratos Wistar foram divididos em dois grupos: pinealectomizados e controle. Após 45 dias os animais foram sacrificados circadianamente e seus tecidos de interesse extraídos para análise através do PCR convencional. A pinealectomia ocasionou significativa desorganização temporal na expressão de quase todos os genes relógios dos tecidos muscular e do adiposo periepididimal. O tecido hepático foi o que menos sofreu alterações pela pinealectomia. Em conclusão, esses dados mostram que a melatonina é necessária para manutenção da ritmicidade dos genes relógio no tecido muscular estriado esquelético, no tecido adiposo periepididimal e no tecido hepático. / The energy metabolism is dependent, between other factors, of a circadian timing among the tissues participants of the metabolic regulation. The synchronization process appears to depend on the expression of clock genes and mediators such as melatonin, involving the central oscillator and peripheral oscillators. We have investigated the role of melatonin in the expression of clock genes in peripheral tissues. Rats have been divided into two groups: pinealectomized and control rats. After 45 days the animals were sacrificed and their tissues of interest have been extracted for analysis by conventional PCR. Pinealectomy caused a significant disruption in the temporal expression of almost all genes of muscle tissue and fat tissue. The liver tissue was the least affected by changes of pinealectomy. In conclusion, these data show that melatonin is necessary for maintaining the rhythmicity of clock genes in skeletal muscle, adipose tissue and liver tissue.

Many animals exhibit seasonal changes in life-history stages, and these seasonal transitions are often accompanied by dramatic switches in behavior. While the neuroendocrine mechanisms that regulate such behavioral transitions are poorly understood, arginine vasotocin (AVT) and neuropeptide Y (NPY) are excellent candidates because they regulate reproductive and feeding behavior, respectively. In this study, I asked if seasonal changes in AVT and/or NPY are concomitant with spring migration away from the breeding grounds, as male and female red-sided garter snakes (Thamnophis sirtalis parietalis) are transitioning from reproductive to non-reproductive behavior during this time. To address this question, I collected male and female snakes in different migratory stages during the spring and fall. Brains were processed for AVT and NPY immunohistochemistry and the total number of immunoreactive (-ir) cells quantified for each individual. As predicted, males had significantly more AVT-ir cells in the preoptic area and bed nucleus of the stria terminalis, brain regions important for courtship behavior, during the spring mating season compared to the fall. Females had significantly more AVT-ir cells in the preoptic area during the spring compared to the fall and, surprisingly, did not exhibit seasonal changes in NPY. In contrast, males had significantly more NPY-ir cells in the cortex, a region important for spatial memory, and in the posterior hypothalamus during the fall compared to the spring, which likely reflects increased feeding behavior during the summer foraging period. Neither AVT- nor NPY-ir cell number varied significantly with migratory status, indicating that seasonal changes in these neuropeptides are not directly related to migration. I then asked if the observed seasonal changes in AVT and NPY in males and females are related to the transition from reproductive to non-reproductive states. Compared to courting males, non-courting males had significantly more AVT-ir cells in the supraoptic nucleus and more NPY-ir cells in the cortex. AVT- and NPY-ir cells did not differ between unmated and mated females. Collectively, my results suggest that AVT and NPY play a role in regulating seasonal transitions in male reproductive behavior, rather than regulating migration per se. Further, these data indicate that both AVT and NPY are regulating reproductive behavior differently in males versus females. These data provide the framework for future studies examining the mechanisms regulating transitions between reproductive, migratory and foraging behaviors.

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