• Nenhum resultado encontrado

Regulation of body weight in small rodents : a trade-off between starvation and predation?

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Share "Regulation of body weight in small rodents : a trade-off between starvation and predation?"

Copied!
157
0
0

Texto

(1)UNIVERSIDADE DE LISBOA  FACULDADE DE CIÊNCIAS  DEPARTAMENTO DE BIOLOGIA ANIMAL .  . Regulation of body weight in small rodents: a trade‐off  between starvation and predation?       . Rita Isabel Caetano Monarca   . Tese orientada pela Professora Maria da Luz Mathias e pelo Professor John  R. Speakman, especialmente elaborada para a obtenção do grau de doutor  em Biologia (Ecologia).  2015     .

(2)  .  .

(3)                                       This study was funded by Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT) through a PhD  fellowship – SFRH/BD/47333/2008. .   This thesis should be cited as follows:  . Monarca,  R.I.,  2015.  Regulation  of  body  weight  in  small  rodents:  a  trade‐off  between  starvation and predation?. Ph.D. Thesis. University of Lisbon. Portugal.  .  .    .

(4)  .  .

(5) PRELIMINARY NOTES  According to the Post‐graduate Studies Regulation (Diário da República, 2ª série, nº 57, 23 March  2015) this dissertation includes papers published or submitted for publication and the candidate,  as co‐author. As doctoral candidate I was responsible for the scientific planning, sampling design,  data collection, statistical analyses and writing of all manuscripts. The advisors of the thesis were  deeply involved in the conceptual framework and in all the stages of the studies.  Papers format was made uniform to improve text flow.   Lisboa, Junho de 2015  Rita I. Monarca   .  . NOTA PRÉVIA   Na elaboração desta dissertação foram usados artigos publicados, ou submetidos para publicação,  em  revistas  científicas  indexadas.  De  acordo  com  o  previsto  no  Regulamento  de  Estudos  Pós‐ Graduados da Universidade de Lisboa, publicado no Diário da República, 2.ª série, n.º 57, de 23  de  Março  de  2015,  a  candidata  esclarece  que  participou  na  concepção,  obtenção  dos  dados,  análise e discussão dos resultados de todos os trabalhos, bem como na redacção dos respectivos  manuscritos.   A dissertação, por ser uma compilação de publicações internacionais, está redigida em Inglês.   A formatação do texto foi uniformizada de modo a tornar  a leitura mais fluída.     Lisboa, Junho de 2015  Rita I. Monarca .  .  .    .

(6)  .  .

(7) Index  ACKNOWLEDGMENTS .................................................................................................... I . RESUMO ...................................................................................................................... III . ABSTRACT .................................................................................................................... IX . CHAPTER 1 .................................................................................................................... 1  GENERAL INTRODUCTION  1.1.  SCIENTIFIC FRAMEWORK ............................................................................................. 3  1.1.1.  ENERGY – GENERAL PRINCIPLES ....................................................................................... 3  1.1.2.  INTERACTION BETWEEN ENERGY COMPONENTS ................................................................... 7    MODELS EXPLAINING ENERGY HOMEOSTASIS ............................................................................. 7  1.1.3.  SIGNALLING OF ENERGY BALANCE ................................................................................... 11  1.1.4.  FACTORS INFLUENCING ENERGY BALANCE ......................................................................... 13    PREDATION ....................................................................................................................... 14    LIMITED FOOD RESOURCES ‐ STARVATION ............................................................................... 16  1.1.5.  DYSREGULATION OF ENERGY BALANCE – OBESITY .............................................................. 17  1.2.  AIMS AND APPROACH .............................................................................................. 23  1.3.  THESIS ORGANISATION ............................................................................................. 25  1.4.  REFERENCES .......................................................................................................... 26 . CHAPTER 2 .................................................................................................................. 35  PREDATION RISK AND STARVATION  2.1  ABSTRACT .............................................................................................................. 37     .

(8) 2.2.  INTRODUCTION ...................................................................................................... 38  2.3.  MATERIAL AND METHODS ........................................................................................ 40  2.4.  RESULTS ............................................................................................................... 49  2.5.  DISCUSSION .......................................................................................................... 59  2.6.  CONCLUSIONS ........................................................................................................ 66  2.7.  ACKNOWLEDGEMENTS ............................................................................................. 66  2.8.  REFERENCES .......................................................................................................... 66 . CHAPTER 3 .................................................................................................................. 71  GROWTH AND DEVELOPMENT  3.1.  ABSTRACT ............................................................................................................. 73  3.2.  INTRODUCTION ...................................................................................................... 74  3.3.  METHODS ............................................................................................................. 76  3.4.  RESULTS ............................................................................................................... 80  3.5.  DISCUSSION .......................................................................................................... 86  3.6.  CONCLUSION ......................................................................................................... 92  3.7.  REFERENCES .......................................................................................................... 93 . CHAPTER 4 .................................................................................................................. 99  PHYSICAL ACTIVITY AND BEHAVIOUR  4.1.  ABSTRACT ............................................................................................................101  4.2.  INTRODUCTION ............................................................................................................ 102  4.3.  METHODS .................................................................................................................. 103  4.4.  RESULTS ..................................................................................................................... 108  4.5.  DISCUSSION ................................................................................................................ 115 .

(9) 4.6.  REFERENCES ................................................................................................................ 118 . CHAPTER 5 ................................................................................................................ 123  GENERAL DISCUSSION  1)  DO ANIMALS UNDER PERCEIVED RISK OF PREDATION ADJUST THEIR BODY WEIGHT? ...................... 126  2)  WHICH PHYSIOLOGICAL AND BEHAVIOUR FACTORS ARE CHANGED TO PRODUCE SUCH ADJUSTMENTS? ..... 127 . 3)  WHAT SIGNAL THE ENERGY BALANCE AND IMBALANCE TO PRODUCE SUCH ADJUSTMENTS? ............ 130  IMPLICATIONS AND FUTURE DIRECTIONS ..................................................................................... 131  REFERENCES ......................................................................................................................... 134   .    .  .    .

(10)  .

(11) ACKNOWLEDGMENTS   . Taking the final steps of long journey, there are several people who crossed my way and  whom I am greatly indebted.  At  institutional  level,  I  would  like  to  thank  “Fundação  para  a  Ciência  e  Tecnologia”  for  funding my work through a PhD grant.  To  my  supervisors  for  accepting  the  challenge  of  accompanying  along  this  journey.  To  Professor Maria da Luz Mathias, who many years ago put some faith in me by accepting  me into the “small mammal group” and who across the years have been getting used to  my simple ways of seeing the world, sometimes called minimalistic. My sincere gratitude  to Professor John Speakman, for all his guidance, helping cross several bumps along the  way and for making all these energetics related topics much more familiar.   In  Lisbon,  to  my  colleagues  Joaquim,  Sofia,  Ana  Cerveira,  Cristiane,  Isabel,  Flávio,  Margarida and Ana Quina, for their constant help, words of support and scientific input.  Ana Cerveira, Joaquim and Sofia, many thanks for the labour hours helping me on the field  work and maintaining the animals when I was away. I hope that in a near future our out  of the box ideas for research projects will see the light of day. Patricia Napoleão, thank  you for helping me with the first steps into the biochemistry lab.  In Aberdeen, to the energetics research group, Aqeel, Mia, Rachel, Madu, Quinn, Sharon,  David, Catherine, and Lobke, many thanks for your support. A special word for Lobke, for  all the help on the constant attempts of getting the study up and running.  In  Beijing,  to  the  lab  colleagues,  Teresa,  Li‐Li,  Deng  Bao,  Yanchao,  Xinyu,  Mengqin,  Chaoqun, Guanlin, I would like to thank you all for the way I was welcome into the group,  you were never refused me any help dealing with lab issues or every day issues of a non‐ speaker  of  the  local  language.  To  Professor  De‐Hua  Wang,  thank  you  very  much  for . I   .

(12) proving part of the equipment to perform the experiments. To Teresa and Panqian, thanks  for the really fun moments we shared during our city adventures.   A  special  thanks  to  Paula  Lopes  for  the  amazing  help  on  putting  together  the  first  foundations of this project, and for every now and then quick word of advice.  To worldwide spread but always close friends Andreia, Sofia, Guida, Hugo, Paulo, Raul e  Inês(es), feels good to know I can count on you.  To my mother who always supported my choices and to my core family thank you for the  encouragement along this journey.  Tiago, thank you so much for all the encouragement, support, patience and love, to make  it through the times apart and always be there for me, I hope that finally we can spend  more time together.     .  . II   .

(13) RESUMO    Os  mecanismos  envolvidos  na  regulação  do  peso  do  corpo,  assim  como  as  pressões  evolutivas  que  controlam  estes  mecanismos,  têm  sido  largamente  discutidos.  Diversas  teorias  têm  proposto  uma  panóplia  de  modelos  explicativos,  que  incluem  diversas  componentes,  como  sobrevivência  em  períodos  de  escassez  de  recursos,  sucesso  reprodutor, alterações de comportamento ou ausência de co‐adaptação às actuais dietas.  No  entanto,  o  funcionamento  destes  mecanismos  e  a  interacção  dos  factores  que  os  influenciam permanece em grande parte desconhecida. . A desregulação do balanço energético pode originar situações de excesso de peso e em  casos  extremos  conduzir  à  obesidade.  Durante  o  século  XX,  a  incidência  de  obesidade  aumentou nas sociedades ocidentais de forma  epidémica. Na base desta desregulação  existe uma forte componente genética, mas também uma forte influência ambiental. A  capacidade de armazenar energia na forma de gordura, pode representar uma vantagem  adaptativa  visto  conferir  um  grau  de  protecção  contra  períodos  em  que  os  recursos  alimentares são escassos e que podem incorrer em eventos de fome. . O modelo clássico de regulação de peso propõe que o peso corporal seja pré‐determinado  internamente, dependendo exclusivamente de factores individuais. Sempre que o peso  do  corpo  varia  acima  ou  a  abaixo  deste  valor  pré‐estabelecido  são  desencadeados  mecanismos que actuam de modo a restabelecer o peso corporal inicial. Recentemente,  outros modelos têm surgido, nomeadamente o modelo de duplo ponto de intervenção,  que  propõe  não  a  existência  de  um  valor  pré‐determinado,  mas  a  existência  de  um  III   .

(14) intervalo, com um limite inferior e um limite superior, entre os quais o peso pode variar  livremente. Quando o peso atinge o limite superior, ou o limite inferior do intervalo, são  activados  mecanismos  que  restabelecem  o  peso  do  corpo  para  o  intervalo  pré‐ estabelecido.  . Tem sido demonstrado que os pequenos mamíferos possuem mecanismos de regulação  do peso do corpo muito eficientes. O acesso permanente a alimento ou a modificação da  alimentação  para  dietas  muito  ricas  em  gordura  raramente  resultam  em  aumentos  de  peso  que  possam  ser  classificados  como  obesidade.  No  entanto,  os  factores  que  condicionam  estes  mecanismos  são  ainda  desconhecidos.  O  risco  de  predação,  assim  como o risco de fome têm sido indicados como dois factores que condicionam os limites  de variação do peso do corpo, mantendo‐o dentro do intervalo pré‐determinado. . Neste trabalho, utilizando pequenos mamíferos como modelos de estudo, analisou‐se a  possível existência de um equilíbrio entre o risco de predação e o risco de fome, testando‐ se  experimentalmente  a  hipótese  segundo  a  qual  o  desaparecimento  da  pressão  de  predação  conduzirá  à  proliferação  do  fenótipo  associado  à  acumulação  de  gordura.  Segundo esta hipótese, os genes responsáveis pela eficiente acumulação de reservas de  gordura terão sido mantidos no pool genético por um fenómeno de deriva genética, em  humanos, depois da eliminação do risco de fome e predação, das populações ancestrais,  devido  ao  desenvolvimento  da  agricultura  e  armas,  estes  genes  deveriam  ter  sido  eliminados, por terem perdido o seu valor adaptativo.  . Para a avaliação dos efeitos do risco de predação, pequenos mamíferos foram submetidos  a  estímulos  sonoros  que  simulam  a  presença  de  um  predador,  e  as  suas  respostas  IV   .

(15) fisiológicas  e  comportamentais  foram  analisadas.  Esta  metodologia  foi  aplicada  a  duas  espécies  de  pequenos  roedores,  o  rato‐do‐campo  Apodemus  sylvaticus  e  à  estirpe  C57BL/6 de ratinhos de laboratório. Pretendeu‐se investigar se o risco de predação afecta  o peso do corpo dos animais e de que modo se processa este efeito, nomeadamente em  termos de consumo de comida, alterações de padrões de comportamento, metabolismo,  termorregulação  e  actividade  física.  Pretendeu‐se  também  analisar  se  os  mecanismos  envolvidos  na  regulação  do  balanço  energético  são  sinalizados  através  de  mensagens  hormonais que actuam a nível do sistema nervoso central. . Os resultados obtidos mostram uma significativa influência do risco de predação sobre o  peso do corpo, por outras palavras, os animais submetidos a um tratamento que simula a  presença  de  um  predador  reduziram  o  seu  peso  corporal  ou  a  taxa  de  ganho  de  peso  quando submetidos a dietas com elevado teor de gordura. Esta alteração é feita através  da  variação  tanto  da  quantidade  de  energia  ingerida,  como  da  quantidade  de  energia  gasta,  processos  que  podem  funcionar  de  forma  independente  ou  em  simultâneo.  A  redução  da quantidade de  energia  ingerida  baseia‐se  principalmente  na  diminuição  da  quantidade  de  comida  consumida  e  não  na  alteração  das  taxas  de  digestibilidade  e  absorção. O aumento da energia despendida ocorre através da alteração dos padrões de  atividade física e comportamento, ou seja, os animais favorecem comportamentos que  aumentam a actividade física e que são mais dispendiosos do ponto de vista energético,  como moveram‐se dentro da caixa, em oposição a manterem‐se imóveis ou em descanso  como método de poupança de energia. A taxa de metabolismo basal, que muitas vezes é  associada a poupança de energia, em animais que estão adaptados a ambientes extremos . V   .

(16) como desertos ou ambientes subterrâneos, não é alterada em consequência do risco de  predação. . A  exposição  estocástica  a  períodos  de  fome  induziu  reduções  acentuadas  do  peso  do  corpo, que foram recuperadas assim que a disponibilidade de comida foi restabelecida. A  compensação  do  peso  perdido  foi  feita  através  do  aumento  da  comida  ingerida,  e  da  alteração de comportamento, sendo adoptados comportamentos que reduzem o gasto  energético.  Ao  contrário  do  previsto,  após  a  exposição  a  vários  períodos  de  fome,  os  animais  não  sobrecompensaram  a  massa  corporal  perdida,  ou  seja,  o  peso  corporal  é  restabelecido para valores semelhantes ao período de referência, anterior aos eventos de  fome,  não  sendo  estabelecido  um  novo  limite  de  regulação.  Segundo  o  previsto  pelo  modelo  de  duplo  ponto  de  intervenção,  esperava‐se  que  o  aumento  da  frequência  de  períodos de fome reestabelecesse o nível mínimo de reservas para um limite superior, ao  de referência, de modo a assegurar a sobrevivência em próximos eventos de escassez. . Os dados revelaram também algumas diferenças no que se refere à resposta de machos  e fêmeas, tendo as fêmeas exibido uma resposta evidente ao elevado risco de predação,  principalmente  quando  expostas  a  dietas  com  alto  teor  de  gordura.  A  resposta  à  exposição a uma dieta rica em gordura, após um período inicial de dieta pouco rica em  gordura,  também  é  diferente  entre  machos  e  fêmeas,  tendo  as  fêmeas  demonstrado  maior  resistência  ao  aumento  de  peso  que  os  machos.  Estas  diferenças  poderão  estar  relacionadas  com  a  influência  do  tamanho  do  corpo  em  questões  de  dominância  e  agressividade, e com o investimento na reprodução. . VI   .

(17) Os  níveis  de  corticosterona  foram  alterados  em  resposta  ao  aumento  do  risco  de  predação, mas os níveis de leptina circulante são explicados principalmente pelas reservas  de  gordura  acumuladas.  No  entanto,  os  animais  submetidos  a  períodos  de  fome  registaram elevados níveis de leptina circulante, o que é uma resposta inesperada face ao  observado em humanos após dietas de redução de peso, em que o abandono das dietas  para perda de peso é atribuído à manutenção de baixos níveis de leptina, após a dieta. . Estes  resultados  suportam  a  importância  do  papel  da  pressão  de  predação  sobre  a  regulação do peso do corpo, e demonstram que estas alterações podem ser alcançadas  através do recurso a uma combinação de processos fisiológicos e comportamentais, que  resultam em redução do consumo de energia ou aumento do seu gasto. . A investigação dos mecanismos que regulam as variações de peso, nomeadamente a sua  componente  ambiental  é  fundamental  para  a  compreensão  de  disfunções  como  a  obesidade  e  doenças  associadas,  nomeadamente  na  forma  como  vários  fenótipos  são  expressos  sob  diferentes  condições  ambientais.  No  entanto,  a  conhecimento  da  base  molecular e genética, destes mecanismos, é essencial para o desenvolvimento de novos  medicamentos e formas de terapia que permitam prevenir e controlar estas disfunções.  .  . Palavras‐chave: Regulação de peso; Obesidade; Risco de predação; Fome. .  .  . VII   .

(18)  .    .

(19) ABSTRACT    The  mechanisms  and  evolutionary  background  of  body  weight  regulation  have  been  largely  discussed  in  the  last  years.  Several  models  were  put  forward  to  explain  the  energetic imbalances that lead to disorders as obesity, linking environmental and genetic  factors, and their effects over body weight. Unlike humans, small wild mammals have a  strong  body  weight  regulation  system,  being  the  risk  of  predation  one  of  the  factors  suggested  to  explain  the  non‐prevalence  of  overweight  animals  within  natural  populations.  Accordingly,  carrying  large  fat  reserves  influences  the  ability  to  escape  predators,  being  the  risk  of  predation  the  main  factor  influencing  their  upper  limit  for  body weight regulation. On the other hand the risk of starving, due to carrying reduce fat  storages  during  famine  periods  is  likely  to  guide  the  lower  boundary  for  body  weight  regulation, a trade‐off between these two pressure factors is suggested to modulate body  weight in small mammals. The predications of this model were tested using wood mice  (Apodemus  sylvaticus)  and  C57BL/6  mice  by  experimentally  manipulating  the  risks  of  starvation  and  predation.  Physiological  and  behavioural  responses  were  tested  to  investigate  the  response  of  mice  to  elevated  risks  of  starvation  and  predation.  Results  showed  that  reductions  in  body  weight,  and  body  weight  gain,  can  be  induced  by  manipulating  the  predation  risk.  The  variations  were  mostly  explained  by  reduction  of  food intake, and increase in energy expenditure through alteration of physical activity and  behaviour. Resting metabolic rate and thermogenic capacity were not affected. Males and  females  responded  differently  to  high  fat  diets,  females  showed  stronger  homeostasis  mechanisms.  Starvation  periods  were  compensated  by  overfeeding  and  reduction  of  activity  during  the  recovery  period  but  did  not  induce  the  increase  of  the  fat  storages  above pre‐starvation. Corticosterone levels signed the perceived risks of predation and  circulating leptin was correlated with the levels of fat storage. These observation strongly  support  the  role  of  predation  risk  over  the  regulation  of  body  weight,  showing  the  influence of environmental components over the setting of body weight regulation limits.   Keywords: Predation‐Starvation trade‐off; Weight regulation; Body weight; Obesity IX   .

(20)      .  .    .

(21)      .  .  .  .  . CHAPTER 1  General Introduction                 .  .    .

(22)    .  .    .

(23) Chapter 1 – General Introduction .  . General Introduction   . 1.1. Scientific framework  1.1.1. Energy – General principles  Energy is considered a key currency for all the biological processes. Ultimately, energy  is one of the most essential resource for animals life, therefore acquiring the amount of  food to supply their daily need of energy is a basic goal of every animal. . The first law of thermodynamics states that energy can be transferred and transformed,  but cannot be created or destroyed (Blaxter 1989). When applied to animal physiology,  this process can be summarised by the following equation, all terms expressed as energy  per unit of time: . Energy Intake = Energy Expenditure + Energy Storage . Energy Intake primarily refers to the chemical energy obtained through consumed food  and fluids; Energy Expenditure refers to performed work, and energy lost through radiant,  conductive,  and  convective  heat,  and  also  evaporation.  Energy  Storage  is  the  rate  of  change  in  body’s  macronutrient  stores  (Hall  et  al.  2012).  The  balance  between  energy  intake, energy expenditure and energy storage can be referred as energy homeostasis. . The Energy Intake components are macronutrients (proteins, carbohydrates and fat) and  micronutrients  (vitamins,  minerals  and  trace  elements).  Micronutrients  are  part  of  the  diet, but their contribution to the total energy ingested is not significant. Once ingested,  3   .

(24) Chapter 1 – General Introduction . the absorption of macronutrients is variable and incomplete, typically urine accounts for  2‐3% (Grodzínski & Wunder 1975) of total energy input, faecal loss is variable, depending  on the individual variance, diet quality and intestinal factors, red pandas can lose 80% of  energy input through faeces (Wei et al. 2000) and grey seals about 8% (Ronald & Keiver  1984).  The  metabolized  energy  is  given  by  the  difference  between  the  total  energy  content  of  the  consumed  food  and  the  energy  content  of  faeces  and  urine.  The  transformed macronutrient can then be used in the biological processes or be stored. . The  rate  of  Energy  Expenditure  is  variable  across  the  day  and  during  the  life  span.  Accordingly, maintenance, growth, reproduction, lactation, running, and other processes,  all require energy but the amounts of fuel may be variable. . The energy expenditure budget can be divided in three main components: i) Resting/Basal  metabolism, ii) Thermal effect of food, iii) Thermo regulatory metabolism and iv) Activity  metabolism. . i) Resting metabolic rate represents approximately two‐thirds of total human energy  expenditure  (Cunningham  1991),  and  40%  of  small  mammals  total  energy  expenditure  (reviewed by Speakman 2000). Basal metabolic rate can be defined as the minimal rate  necessary to sustain basic physiological processes, as respiration, heart rate and cellular  repair,  measured  in  an  inactive,  post‐absorptive,  non‐reproductive  animal,  at  an  environmentally  neutral  temperature.  This  standardised  estimation  of  metabolic  rate  requires several criteria to be accomplished, however in many cases these assumptions  are not easy to achieve (McNab 1997).  . 4   .

(25) Chapter 1 – General Introduction .   Basal  metabolic  rate  requires  animals  to  be  inactive  at  thermoneutrality,  thus  is  not  measured  on  many  studies,  due  to  the  difficulties  of  certifying  that  animals  are  post  absorptive. Thus measurements of resting metabolic rate are often used. They may be  slightly higher than basal metabolic rate, due to the thermal effect of food. According with  Johnstone et al. (2005), about 63% of resting metabolic rate variation can be explained by  the fat free mass, 2% by the individual variation of subjects, 6% by the body fat content,  2% by age, 0.5% by analytic error and 26,6% of the variation is unexplained. . ii) The Thermal effect of food also commonly referred as Diet induced thermogenesis,  and  specific  dynamic  action  (review  by  Secor  2009),  is  the  energy  associated  to  the  digestion  and  processing  of  food,  in  other  words,  it  is  the  energetic  cost  of  digesting,  assimilating  and  transporting  nutrients  from  ingested  food  to  cells  and  tissues.  It  is  assumed to be a fixed percentage of total energy intake, but may be affected by the meal  size and composition (Jonge & Bray 1997). Although, a small part of the thermal effect of  food consists of regulated heat production to dissipate excessive energy intake (Lowell &  Spiegelman 2000). . iii) In  homeotherms the maintenance of a stable body temperature depends upon the  balance  between  heat  production  and  heat  loss  ‐  Thermal  regulation.  The  heat  loss  through the body surface is proportional to the difference between ambient temperature  and  surface  temperature.  Therefore  the  energy  allocated  to  the  maintenance  of  body  temperature is highly influenced by the ambient temperature. As the temperature falls  below  core  temperature,  the  heat  demands  for  thermoregulation  increases.  Basal  metabolic rate, thermal effect of food and physical activity, all contribute to supply this . 5   .

(26) Chapter 1 – General Introduction . energy demand. If these sources do not supply the required energy, specific extra heat is  generated to maintain a stable body temperature. . Humans,  mainly  in  developed  countries,  were  able  to  modify  their  environmental  conditions to permanently balance the ambient temperature and their heat production  (Garland et al. 2011; Speakman & Keijer 2012). These conditions do not necessarily apply  to wild animals, hence the energy allocated to balance the body temperature significantly  increases.  The  production  of  heat  necessary  to  increase  the  body  temperature  may  require  shivering  or  non‐shivering.  The  non‐shivering  thermogenesis  includes  the  heat  generation  using  the  brown  adipose  tissue,  not  involving  muscular  contractions.  Non‐ shivering  thermogenesis  and  brown  adipose  tissue  are  commonly  the  focus  of  studies  regarding seasonal acclimatisation of small mammals, and recently also human physiology  due  to  its  possible  anti‐obesity  role  (Cannon  &  Nedergaard  2004;  Seale,  Kajimura  &  Spiegelman 2009). . iv) Physical activity can be defined as the thermic effect of any bodily movement that  goes  beyond  the  basal  metabolic  rate  (Caspersen,  Powell  &  Christenson  1985).  It  comprises the energy expenditure required for skeletal muscles to produce movement,  including  minimal  movement,  physical  exercise  and  powerful  muscular  work.  Physical  activity  and  exercise  are  not  synonymous.  Physical  activity  includes  exercise  as  well  as  other activities which involve corporal movement. In humans, there is often a partition  between exercise and non‐exercise activity (Levine, Schleusner & Jensen 2000; Hollowell  et al. 2009). Energy costs with physical activity are correlated with body weight and resting  metabolic  rate  (Schoeller  &  Jefford  2002),  but  is  one  of  the  most  variable  energy  expenditure components.  6   .

(27) Chapter 1 – General Introduction .    . 1.1.2. Interaction between energy components  The three components of the energy equation interact through a series of processes  that  favours  homeostasis,  responding  to  the  energy  available.  As  so,  if  the  energy  expenditure  increases,  animals  must  increase  their  food  intake  to  compensate  the  discrepancy or use the energy stored. Consequently, energy is stored if the food intake  exceeds the energy expenditure.  . The main components of the energy balance equation may vary across time, accordingly  with  the  stage  of  development;  typically  energy  storage  is  positive  during  growth  and  development resulting in the increase of body weight. During adult life, body weight is  usually stable, and energy storage approaches zero. .  .  Models explaining energy homeostasis  The  regulation  system  underpinning  energy  input  and  expenditure  has  not  been  fully  established. Multiple theories have been put forward to explain energy homeostasis; each  model is the product of a different context and therefore they focus on different aspects  of  body  weight  regulation:  the  set  point  model  is  mostly  based  on  physiological  and  genetic determination, whereas the settling point regulation model is built around the  effects of social, nutritional environment. The dual point intervention model is suggested  as  an  alternative  model  including  weak  physiological  regulation  within  two  boundaries . 7   .

(28) Chapter 1 – General Introduction . that may vary across individuals and accommodates both environmental and molecular‐ physiological views points.  . a) Set point model (Lipostatic model)  Kennedy (1953) was among the first to propose that the regulation of body fat involves  an internal “lipostat” that maintains body fat hence overall weight at a predetermined  level. It was then suggested that fat would produce a signal that once sensed by the brain  would inform about the levels of fat. If these levels were above or below the target body  fat, the brain would activate mechanisms to increase or reduce the energy expenditure  and bring the fat levels to the target point (Figure 1). The discovery of leptin many years  later  (Zhang  et  al.  1994)  gave  strong  molecular  support  to  the  model  suggested  by  Kennedy, by exposing the presence of a hormonal signal that informs the brain about the  fat status of the body, as reviewed by Friedman and Halaas (1998). Leptin is a hormone  primarily  produced  by  the  adipose  tissue  and  interacts  with  brain  areas  known  to  be  related with energy homeostasis (Mercer & Speakman 2001; Bellinger & Bernardis 2002). .   Figure 1 – Classic set‐point model of body weight regulation: Compensatory  mechanisms are applied when body mass is below or above the set point of  regulation. . 8   .

(29) Chapter 1 – General Introduction .  . b) Settling point model  One of the statements of the set‐point model is that it denies the role of environmental,  behaviour and economic factors, resuming the mechanism is strictly due to physiological  components. According to the settling point model (Wirtshafter & Davis 1977), the fat  storage in a body can be compared to the water levels in a water reservoir, in analogy like  a lake (Speakman et al. 2011) (Figure 2).  .   Figure 2 ‐ Body weight regulation according to the settling point model, here  illustrated as a lake. Input of water is rain falling in the hill, the output of water  is proportional to the depth of water in the outflow, as indicated by the size of  the arrows. A ‐ As the volume of inflow rain increases, the depth of outflow  raises; B ‐Rain fall represents energy input, energy expenditure is compared to  the  outflow;  depth  of  outflow  represents  the  settling  point,  and  the  energy  storage is illustrated by the amount of water in the reservoir (lake) (adapted  from Speakman et al. (2011)). . 9   .

(30) Chapter 1 – General Introduction . A natural equilibrium in maintained in the lake, due to the extra rain inflow, the water  levels  rises  until  the  outflow  equals  the  inflow.  Regarding  body  weight,  fat  storages  represent the lake, energy intake is represented by the rain and energy expenditure by  the water outflow. In such system, there is little active regulation in order to predefine  body  weight,  the  interaction  of  several  environmental  factors  (e.g.  improved  housing,  food  abundance)  results  in  a  dynamic  equilibrium  (“settling  point”)  dependent  on  the  individual constitution and interaction between energy input and expenditure (Dubois et  al. 2012). The settling point model denies any role for the physiological regulation of body  fatness and weight. .  . c) Dual intervention point model  Contrarily to the suggested by the classic “lipostat” model of Kennedy (1953), the dual  intervention point model argues that body weight is set within a range limited by an upper  limit point and a lower limit point (Levitsky 2002; Speakman 2007). If body weight rises  above  the  upper  limit  or  decreases  below  the  lower  limit,  the  individual  enables  physiological mechanisms that change energy balance to maintain the body weight within  the pre‐set range. Between these boundaries the physiological regulation is poor (Figure  3).  The  nature  of  the  intervention  points  is  still  unclear,  they  might  depend  on  a  combination of genetic and environmental factors acting together. A strong evolutionary  background has supported this model, the upper intervention point defined by the risk of  predation  and  the  lower  intervention  point    established  by  the  risk  of  starvation  (Speakman 2007, 2008). The upper limit point of intervention is mostly supported by data . 10   .

(31) Chapter 1 – General Introduction .   obtained  in  animal  studies,  given  that  since  2  million  year  ago  modern  humans  have  developed tools, weapons and strategies to avoid predation. .   Figure 3 ‐ The dual intervention point model. Over time body weight varies,  when the intervention points are reached physiological feedback controls that  operate in order to reduce or increase the body mass.   . 1.1.3. Signalling of energy balance   Insulin  was  the  first  hormonal  signal  to  be  related  with  the  regulation  of  energy  balance. It is secreted by beta cells in the pancreas and enters in central nervous system  via the circulation. Insulin is considered an “adiposity signal” that supresses food intake,  and promotes lipid storage (Assimacopoulos‐Jeannet et al. 1995). The discovery of leptin,  a  hormone  secreted  by  the  adipose  tissue,  provided  additional  information  about  the  signals sent to brain (Zhang et al. 1994). Both insulin and leptin have been involved in the  regulation  of  body  weight  (Figure  4)  (Varela  &  Horvath  2012),  as  their  levels  are  proportional to the amount of body fat (Bagdade, Bierman & Porte 1967; Considine et al.  1996), and their delivery on the brain is directly related to their circulating levels (Schwartz  et al. 1996).   11   .

(32) Chapter 1 – General Introduction . Two neuronal populations NPY/AGRP and POMC/CART, located in the arcuate area of the  hypothalamus (Hahn et al. 1998), express specific neuropeptides known to be involved in  energy homeostasis and related with food intake. Both leptin and insulin receptors are  expressed at the NPY and POMC neurons at the hypothalamus (Cowley et al. 2001; Könner  et al. 2007). NPY/AGRP are inhibited by leptin, hence activated by low levels of leptin,  food intake is stimulated by fasting due to the activation of NPY. On the other hand, POMC  neurons  are  stimulated  by  leptin  and  inhibited  by  NPY  (Cowley  et  al.  2001).  Insulin  signalling in the brain is essential for glucose homeostasis, POMC insulin sensitive neurons  may be involved in response to positive energy balance through promoting fat storage in  white adipose tissue (Hill et al. 2010). .   Figure 4 ‐ Leptin and insulin secreted by white adipose tissue (WAT) and the  pancreas, respectively, inform the  hypothalamus about the energy status of  the  organism,  regulating  several  peripheral  functions.  Arc‐  arcuate  nucleus;  AgRP‐ agouti‐related protein; InsR‐ insulin receptor; LepR‐b‐ leptin receptor b;  POMC‐  proopiomelanocortin;  VMH‐  ventromedial  hypothalamus.  (adapted  from Varela & Horvath (2012)). . 12   .

(33) Chapter 1 – General Introduction .  . 1.1.4. Factors influencing energy balance  Factors  affecting  the  energy  balance  are  linked  to  two  main  pillars,  genetics  and  environment.  Both  factors  interact  at  different  levels,  linking  and  affecting  several  components  of  energy  expenditure  and  intake  and  the  overall  energetic  balance,  as  represented in Figure 5. .   Figure  5  ‐  Linkages  among  genetics  and  environmental  effects  over  energy  balance,  through  several  co‐existent  mechanisms  (adapted  from  Speakman  2004). . Several loci have been identified as related with energy balance. Studies with identical  twin suggest that 60 to 70% of body mass index variance is due to genetic differences  (Allison  et  al.  1996;  Segal  et  al.  2009).  It  has  also  been  demonstrated  that  genes  can  influence the food intake (Rankinen & Bouchard 2006), weight gain (Bouchard et al. 1990),  physical activity (Mustelin et al. 2012) and basal metabolic rate (Rønning et al. 2007). . 13   .

(34) Chapter 1 – General Introduction . The  influence  of  environment  over  energy  balance  components  are  mostly  due  to  alteration  of  behaviour,  and  its  interaction  with  other  components.  Two  main  factors  causing imbalance of energy homeostasis are the availability of food and physical activity.  In humans, the constant food availability, their dense energetic content and portion size  are likely to influence energy intake, whilst the required physical activity is reduced mostly  by the characteristics of the neighbourhood namely existence of paths for walking and  cycling,  traffic  and  street  safety  (Lee  et  al.  2012),  television  viewing  (Hernández  et  al.  1999) and also car use (Wen et al. 2006).  . Several small mammal species, as mice and voles, use environmental cues, such as day  length and temperature to trigger seasonal variations on their body mass and adiposity,  making them attractive models for the study of body weight variation as these conditions  can easily be simulated in laboratory (Bartness, Demas & Song 2002; Zhao, Chen & Wang  2010). Even though had been identified that small mammals have a strong body weight  regulation (El‐bakry, Plunkett & Bartness 1999; Peacock & Speakman 2001), keeping their  weights in a dynamic equilibrium (Levitsky 2002).  .  .  Predation  When  focusing  on  small  wild  animals,  the  environmental  components  incorporates  factors, such as the risk of being predated, that have lost adaptive value to humans since  the  development  of  defensive  tools  and  discovery  of  fire,  and  evolution  of  social  behaviour. . 14   .

(35) Chapter 1 – General Introduction .   Predation  represents  an  important  element  of  the  overall  interaction  between  species  and their survival demands, being a selective key force on the evolutionary and adaptive  processes involved (Abrams 2000). Nevertheless, the effects of perceived risk of predation  have  been  demonstrated  to  play  a  more  important  role  shaping  the  preys  traits  than  direct consumption (Preisser, Bolnick & Benard 2005; Creel & Christianson 2008) (Figure  6).  . The  risk  of  predation  in  known  to  affect  morphology  (McCollum  &  Leimberger  1997;  Brönmark,  Lakowitz  &  Hollander  2011),  physiology  (Slos  &  Stoks  2008)    and  behaviour  (Abramsky et al. 2004; Verdolin 2006) including aggression, movement patterns (Sih &  McCarthy 2002) and foraging (Brown et al. 1988; Vásquez 1994). Responses to predation  risk, i.e. activation of defence mechanisms are usually assessed by a reduction in other  fitness components such as reproduction or growth (Harvell 1990; Ylönen & Ronkainen  1994). . 15   .

(36) Chapter 1 – General Introduction .   Figure  6  –    Pathways  of  predation  effect  over  prey  population  dynamics  (adapted from Creel & Christianson 2008). .  .  Limited food resources ‐ Starvation  All animals at some time during their life may face events of limited food resources that  ultimately  could  lead  to  mortality.  Starvation  refers  to  the  biological  state  wherein  a  postabsorptive  animal,  otherwise  willing  is  unable  to  eat,  as  the  result  of  extrinsic  limitations on food resources (McCue 2010).  . The frequency and duration of starvation events are highly variable, the predictability of  such events is also variable, it occurs seasonally or randomly according with unpredictable . 16   .

(37) Chapter 1 – General Introduction .   factors.  Animals  are  constantly  spending  energy  to  maintain  their  basic  functions,  however they are not constantly acquiring energy, meaning that at any point they must  rely on physiological processes to survive based on the energy internally stored, resulting  in a disrupted energy balance during starvation periods. The ability to tolerate starvation  varies across different animal groups, small birds and mammals may tolerate only one day  of starvation (Mosin 1984; Cherel, Robin & Maho 1988), in contrast to fish (Olivereau &  Olivereau 1997), amphibians (Grably & Piery 1981), and large mammals as polar bears  (Atkinson & Ramsay 1995) that are often able to endure several months without feeding.  Large energy reserves may extend the toleration to starvation, likewise small animals are  more susceptible to food deprivation than larger animals.  . Reduction  of  body  mass  associated  with  starvation  requires  prioritizing  given  the  high  demands of maintaining tissues with high turnover rates, which takes some species to  catabolize tissues to save resources during starving periods, like the gastrointestinal track  (Battley et al. 2000; Ferraris & Carey 2000). Liver and adipose tissue are equally mobilized  (Merkle & Hanke 1988; Lamosova, Mácajová & Zeman 2004)but usually at slower rates.  Skeletal muscles is less likely to be catabolize given its role in locomotion. Brain tissue,  heart and reproductive organs are seldom catabolized during starving periods.  .  . 1.1.5. Dysregulation of energy balance – Obesity  Obesity can be explained as a prolonged imbalance between energy intake and energy  expenditure, where the food input exceeds the energy output and the difference is stored  as fat. The accumulation of energy for future needs, in the form of fat reserves, can be  17   .

Imagem

Figure 1 – Changes in body mass (mean ± S.E.) relative to baseline in response  to exposure to predator and non‐predator sounds played during the day or at  night across the 5 days of the study. The control group was exposed to silence. 
Figure 3 – Effects of body mass (g) on resting metabolic rate (ml O 2 /min) for all  the measured individuals. Experimental treatment had no significant effect on  the resting metabolic rate (F 4,8 =1.021, p=0.403). 
Table I – Mean ± S.E. of body mass (g) and ANOVA results, on starvation (day  6, 9, 13 and 15) and refeeding (day 7,10, 14 and 16) days of the study. 
Figure 1 ‐ Body mass variation (Mean ± S.E.) across the study. A – Females; B‐ Males. 
+2

Referências

Documentos relacionados

boxes don’t have lids (no author) and don’t have any note as to what year they were assigned to the database which means that for each gem cast there needs to be

De seguida apresenta-se a colecção, e é de referir que as cores apresentadas nas ilustrações podem não corresponder na totalidade às cores escolhidas que estão referidas no

Body and “cerebrum” weight were measured, as well as the cholesterol and triglyceride concentrations in blood and the content of myelin, total lipids, and the concentrations of

goals of the present study were: 1) to compare the use of alternative methods to estimate body weight (weight tape and associated body-weight estimation formula) in pregnant

The relation between body weight and heart weight, between the size of the heart and the animal’s sex, the ratio between the measurements of vertical and horizontal cardiac axes,

ABSTRACT - The objective of this study was to estimate the growth parameters of body weight and body nutrient deposition in males and females of one meat- (

Objective: To compare the levels of muscle activation of the main muscle involved in gait during body weight-supported treadmill training and body weight-supported overground

Ao analisar os artigos publicados em EnANPAD’s entre os anos de 2008 a 2014, pode-se concluir que as principais correntes motivacionais que foram utilizadas