V této přednášce, stejně jako v předchozí a následující, se zabývám oblastmi biologie, ve kterých jsem opravdu slabý: vznik života, rozmanitost života a taxonomie/systematika. Jsou to také oblasti, kde v poslední době došlo k mnoha změnám (často ještě nebyly zapracovány do učebnic), a je nepravděpodobné, že bych byl aktuální, takže mi prosím pomozte tyto přednášky uvést na úroveň….. Tento příspěvek byl původně napsán v roce 2006 a několikrát znovu zveřejněn, včetně roku 2010.
Jak možná víte, již asi dvanáct let učím BIO101 (a také laboratoř BIO102) netradiční studenty v rámci programu vzdělávání dospělých. Čas od času o tom veřejně rozjímám na blogu (viz tento, tento, tento, tento, tento, tento a tento krátký příspěvek o různých aspektech – od používání videí přes používání třídního blogu až po důležitost Open Access, aby studenti mohli číst primární literaturu). Kvalita studentů v tomto programu se v průběhu let neustále zvyšuje, ale stále jsem velmi omezen časem: Během osmi týdnů mám se studenty osm čtyřhodinových setkání. Za tuto dobu je musím naučit veškerou biologii, kterou potřebují pro své nepřírodovědné zaměření, a navíc nechat každému studentovi dostatek času na prezentaci (o vědě o jeho oblíbené rostlině a živočichovi) a na dvě zkoušky. Musím tedy přednášky obnažit až na dřeň a doufat, že ta dřeň je to, co studenti, kteří nejsou přírodovědci, skutečně potřebují vědět: spíše pojmy než fakta, spíše vztah k ostatnímu životu než vztah k ostatním vědám. Proto své přednášky doplňuji videi a diskusemi ve třídě a jejich domácím úkolem je najít zajímavá biologická videa nebo články a zveřejnit odkazy na třídním blogu, aby je všichni viděli. Několikrát jsem použil malárii jako nit, která spojuje všechna témata – od buněčné biologie přes ekologii a fyziologii až po evoluci. Myslím, že to fungovalo dobře, ale je těžké to udělat. Také píší závěrečnou práci o nějakém aspektu fyziologie.
Další novinkou je, že si vedení uvědomilo, že většina vyučujících je na škole už mnoho let. Jsme zkušení a zřejmě víme, co děláme. Proto nám nedávno dali mnohem větší volnost při tvorbě vlastních osnov, místo abychom se řídili předem danými osnovami, pokud konečné cíle výuky zůstanou stejné. Nejsem si přesně jistá, kdy budu opět učit přednášky z BIO101 (pozdní podzim, jaro?), ale chci začít přemýšlet o své třídě včas. Také se obávám, že vzhledem k tomu, že se aktivně nevěnuji výzkumu v laboratoři, a tudíž nesleduji literaturu tak pečlivě, jsou některé věci, které učím, již zastaralé. Ne že by snad někdo mohl držet krok se všemi pokroky ve všech oblastech biologie, která je tak obrovská, ale přinejmenším velké aktualizace, které ovlivňují výuku úvodních kurzů, jsou věci, které potřebuji znát.
Potřebuji dohnat a aktualizovat své poznámky k přednáškám. A co je lepší způsob než crowdsource! Takže během několika nových týdnů znovu zveřejním své staré poznámky k přednáškám (všimněte si, že jsou to jen úvody – v učebně po nich následují diskuse a videa atd.) a požádám vás, abyste mi zkontrolovali fakta. Pokud jsem se v něčem spletl nebo je něco neaktuální, dejte mi vědět (ale neprosazujte jen svou vlastní preferovanou hypotézu, pokud otázka ještě není vyřešena – dejte mi raději vysvětlení celé kontroverze). Pokud něco zjevně chybí, dejte mi vědět. Pokud lze něco říci hezčím jazykem – upravte mi věty. Pokud víte o zajímavých obrázcích, článcích, blogových příspěvcích, videích, podcastech, vizualizacích, animacích, hrách atd. které lze použít k vysvětlení těchto základních pojmů, dejte mi vědět. A na závěr, až to uděláme se všemi přednáškami, probereme celkový sylabus – existuje lepší způsob, jak uspořádat veškerou tuto látku pro tak rychlou výuku.
Anatomie je dílčí disciplína biologie, která studuje stavbu těla. Popisuje (a latinsky označuje) morfologii těla: tvar, velikost, barvu a polohu různých částí těla, přičemž zvláštní pozornost věnuje vnitřním orgánům, jak jsou viditelné pouhým okem. Histologie je podmnožinou anatomie, která popisuje to, co lze vidět pouze pod mikroskopem: jak jsou buňky uspořádány do tkání a tkáně do orgánů. (Klasická) embryologie popisuje, jak tkáně a orgány mění svůj tvar, velikost, barvu a polohu během vývoje.
Anatomie poskytuje mapu a nástroje pro studium funkce orgánů v těle. Popisuje (ale nevysvětluje) stavbu těla. Fyziologie dále popisuje, jak tělo funguje, zatímco evoluční biologie poskytuje vysvětlení struktury a funkce.
Ačkoli jsou detaily lidské anatomie nezbytné při vzdělávání lékařů a zdravotních sester (a anatomie zvířat pro veterináře), nemáme čas a ani nemusíme věnovat příliš velkou pozornost jemným anatomickým detailům. Na příslušnou anatomii navážeme, až budeme probírat funkci orgánů: fyziologii.
Tradičně existují dva způsoby studia (a výuky) fyziologie. První přístup je lékařský/biochemický. Tělo se dělí na orgánové systémy (např. dýchací, trávicí, oběhový atd.) a každý systém se studuje zvlášť, přičemž se začíná fyziologií celého organismu a postupně se klesá na úroveň orgánů, tkání, buněk a molekul a končí se biochemií fyziologické funkce. Studuje se pouze lidské tělo. Často se patologie a poruchy používají k ilustraci fungování orgánů – stejně jako oprava automobilového motoru výměnou porouchané součástky nám pomáhá pochopit, jak motor normálně funguje, tak nám studium nemocí pomáhá pochopit, jak funguje zdravé lidské tělo.
Druhý přístup je ekologický/energetický. Fyziologické funkce nejsou rozděleny podle orgánových systémů, ale podle problému – uloženého prostředím – který tělo potřebuje vyřešit, aby přežilo a rozmnožovalo se, např. problém termoregulace (tělesná teplota), osmoregulace (rovnováha soli a vody), lokomoce (pohyb), reakce na stres atd. každý problém využívá více orgánových systémů. Důležitým aspektem tohoto přístupu je studium způsobu, jakým tělo využívá energii: je řešení energeticky optimální? Jedinci, kteří vyřešili problém energeticky účinnějším fyziologickým mechanismem, budou přírodním výběrem zvýhodněni – tento přístup je tedy také hluboce zakořeněn v evolučním kontextu. V neposlední řadě je tento přístup velmi komparativní – studium živočichů, kteří žijí ve zvláště neobvyklých nebo drsných prostředích, nám pomáhá pochopit vznik a evoluci fyziologických mechanismů jak u člověka, tak u jiných živočichů.
Učebnice se neobvykle dobře (na úvodní učebnici biologie) snaží oba přístupy propojit a skloubit. Bohužel nemáme dost času na to, abychom se podrobně věnovali všem systémům a všem problémům, takže se budeme držet prvního, lékařského přístupu a probereme jen několik systémů lidského těla, ale vyzývám vás, abyste si přečetli příslušné kapitoly učebnice, abyste pochopili i ekologické a evoluční aspekty fyziologie (nemluvě o některých opravdu skvělých příkladech řešení problémů živočišnými těly). Tip: použijte otázky „Autotestu“ na konci každé kapitoly, a pokud na ně správně odpovíte, jste připraveni na zkoušku.
Začněme tím, že se podíváme na několik důležitých základních principů, které se týkají celé fyziologie. Jedním z takových principů je princip škálování, k němuž byste si měli přečíst leták, který probereme příště na hodině. Druhým důležitým principem ve fyziologii je fenomén zpětnovazebních smyček: jak záporných, tak kladných zpětných vazeb.
Záporná zpětnovazební smyčka funguje velmi podobně jako graf, který jsme nakreslili, když jsme probírali chování. Tělo má senzor, který monitoruje stav těla – vnitřní prostředí (na rozdíl od vnějšího prostředí, o kterém jsme hovořili při probírání chování), např. hladinu kyslíku a oxidu uhličitého v krvi, krevní tlak, napětí ve svalech atd. Pokud se něco ve vnitřním prostředí změní oproti normálním, optimálním hodnotám, senzor informuje integrátor (obvykle nervový systém), který zahájí akci (prostřednictvím efektoru), aby tělo uvedl zpět do normálního stavu.
Tak událost A vede k reakci B, která vede k potlačení a odstranění události A. Téměř každá funkce v těle funguje jako smyčka negativní zpětné vazby. Pokud se například vylučuje hormon, spolu s funkčním účinkem tohoto hormonu se spustí také smyčka negativní zpětné vazby, která zastaví další vylučování tohoto hormonu.
Je jen velmi málo funkcí v těle, které se řídí jiným schématem – smyčkou pozitivní zpětné vazby. Tam událost A vede k reakci B, která vede k opětovnému spuštění a zesílení události A, což vede k silnější reakci B… a tak dále, dokud není dosaženo prahové hodnoty nebo konečného cíle, kdy se vše náhle vrátí do normálu.
Příští týden se podíváme na příklad pozitivní zpětnovazební smyčky, která se odehrává v nervovém systému. Prozatím si uveďme některé další pozoruhodné smyčky pozitivní zpětné vazby u člověka.
První je mechanismus srážení krve, což je kaskáda biochemických reakcí, která funguje na tomto principu. Poranění stimuluje produkci molekuly, která spustí produkci další molekuly, jež spustí produkci další molekuly, stejně jako produkci dalších prvních molekul, a tak dále, dokud se poranění zcela neuzavře.
Dalším příkladem pozitivní zpětnovazební smyčky je porod dítěte. Když je dítě připraveno jít ven (a v tomto okamžiku ho nic nezastaví!), uvolní hormon, který vyvolá první stah dělohy. Kontrakce dělohy dítě trochu vytlačí ven. Tento pohyb dítěte roztahuje děložní stěnu. Stěna dělohy obsahuje receptory pro roztažení, které vysílají signály do mozku. V reakci na tento signál mozek (ve skutečnosti zadní část hypofýzy, která je vývodem mozku) uvolňuje hormon oxytocin. Oxytocin se dostane do krevního oběhu a dostane se do dělohy, čímž spustí další kontrakci, která zase rozpohybuje dítě, které dále roztáhne stěnu dělohy, což má za následek další uvolnění oxytocinu… a tak dále, dokud není dítě vypuzeno, kdy se vše vrátí do normálu.
Další příklad pozitivní zpětnovazební smyčky se také týká dětí – kojení. Když má kojenec hlad, matka přiblíží jeho ústa k bradavce prsu. Když se dítě přisaje na bradavku a snaží se sát, stimuluje tím receptory v bradavce, které informují mozek. Mozek uvolňuje ze zadní hypofýzy hormon oxytocin. Oxytocin se dostane do krevního oběhu a stimuluje mléčnou žlázu k uvolňování mléka (nikoli k syntéze mléka – to je již uloženo v prsou). Uvolnění mléka v bradavce stimuluje dítě, aby začalo intenzivně sát, což ještě více stimuluje receptory v bradavce, takže se z hypofýzy uvolní ještě více oxytocinu a mléčná žláza uvolní ještě více mléka, a tak dále, dokud se dítě nenasytí a neodpojí se od prsu, kdy se vše vrátí do normálu.
Další příklad pozitivní zpětnovazební smyčky se týká také dětí, ale o devět měsíců dříve. Kopulace – ano, sex – je příkladem pozitivní zpětnovazební smyčky, a to jak u žen, tak u mužů. Počáteční stimulace pohlavních orgánů stimuluje hmatové receptory, které informují mozek, jenž zase stimuluje pokračování (a postupné zrychlování) pohybu, který poskytuje další hmatovou stimulaci, a tak dále, až do orgasmu, po němž se vše vrátí do normálu (nehledě na afterglow).
Poslední příklad se vztahuje i na dolní oblasti těla. Mikce (močení) je také smyčka pozitivní zpětné vazby. Stěna močového měchýře je postavena tak, že se v ní nachází několik vrstev buněk. Jak se močový měchýř plní, stěna se roztahuje a tyto buňky se posouvají, až je stěna silná pouze jednu buňku. V tomto okamžiku je močení nevyhnutelné (nelze jej zastavit dobrovolnou kontrolou). Začátek močení spustí pohyb buněk zpět z jednovrstvého stavu do stavu vícevrstvého. Tím se močový měchýř dále stahuje, což vytlačuje moč ještě více, což stahuje stěnu močového měchýře ještě více, a tak dále, dokud není močový měchýř opět zcela prázdný a vše se nevrátí do normálu.
Koncept zpětnovazebních smyček je nezbytný pro pochopení principu homeostázy. Homeostatické mechanismy zajišťují, že vnitřní prostředí zůstává konstantní a všechny parametry se udržují na optimální úrovni (např. teplota, pH, rovnováha soli a vody atd.) v průběhu času. Pokud změna prostředí (např. působení tepla nebo chladu) vede ke změně vnitřní tělesné teploty, je tato změna vnímána termoreceptory v těle. Tím se spustí korekční mechanismy: je-li tělo přehřáté, kapiláry v kůži se rozšíří a vyzařují teplo a potní žláza uvolňuje pot; je-li tělo příliš chladné, kapiláry v kůži se stáhnou, svaly se začnou třást, chlupy vstávají (husí kůže) a uvolňují se hormony štítné žlázy, což vede k otevření pórů v membránách mitochondrií ve svalech, čímž se sníží účinnost odbourávání glukózy na vodu a oxid uhličitý, a vzniká tak nadměrné teplo. V každém případě se tělesná teplota vrátí na optimální úroveň (kolem 37 stupňů Celsia), která se nazývá set-point pro tělesnou teplotu. Každý aspekt vnitřního prostředí má svůj vlastní set-point, který je hájen homeostatickými mechanismy.
Ačkoli je v podstatě správný, existuje problém s konceptem homeostázy. Jeden z problémů s pojmem „homeostáza“ je jazykový: samotný termín homeostáza je zavádějící. „Homeo“ znamená „podobný, stejný“ a „stasis“ znamená „stabilita“. Slovo homeostáza (které vymyslel Walter Cannon na počátku 20. století) tedy naznačuje silnou a absolutní stálost. Představte si, že byste měli za 10 sekund nakreslit grafické znázornění pojmu homeostáza. Bez dostatečného času na přemýšlení byste pravděpodobně nakreslili něco takového:
Hlavní charakteristikou tohoto grafu je, že požadovaná hodnota je v čase konstantní. Tak to ale ve skutečném světě nefunguje. Výše uvedený graf je správný pouze v případě, že časové měřítko (na ose X) zahrnuje pouze sekundy až minuty. Pokud bychom ji rozšířili na hodiny, dny nebo roky, byl by graf chybný – přímka by již nebyla rovná a vodorovná. Nastavený bod se mění předvídatelným a dobře kontrolovatelným způsobem. Například požadovaný bod pro hladinu testosteronu v krvi u lidských mužů v průběhu života může vypadat takto:
To by byl příklad vývojové kontroly požadovaného bodu. V každém časovém okamžiku je tento set-point hájen homeostatickými mechanismy, ale samotná hodnota set-pointu je řízena jinými fyziologickými procesy. Jiný příklad řízené změny žádané hodnoty může vypadat takto:
To by byl příklad oscilačního řízení žádané hodnoty. Počátkem 80. let 20. století Nicholas Mrosovsky zavedl nový termín, který nahradil „homeostázu“ a konkrétně označoval řízené změny set-pointů všech biochemických, fyziologických a behaviorálních hodnot – reostázu.
Téměř každý aspekt fyziologie (a chování) vykazuje reostázu, a to jak vývojovou, tak oscilační (denní a/nebo roční rytmy). Mezi významné výjimky patří pH krve (které je třeba udržovat ve velmi úzkém rozmezí 7,35-7,45) a hladina vápníku v krvi. Pokud se pH nebo hladina vápníku příliš vzdálí od optimální hodnoty, buňky v těle (především nervové, svalové a srdeční) nemohou správně fungovat a tělu hrozí okamžitá smrt.
Doplňková četba:
„Medicína potřebuje evoluci“ od autorů Nesse, Stearns a Omenn
Dříve v této sérii:
BIO101 – Biologie a vědecká metoda
BIO101 – Struktura buňky
BIO101 – Syntéza bílkovin: Transkripce a translace
BIO101: Interakce mezi buňkami
BIO101 – Od jedné buňky ke dvěma: buněčné dělení a replikace DNA
BIO101 – Od dvou buněk k mnoha:
BIO101 – Od genů ke znakům: Jak genotyp ovlivňuje fenotyp
BIO101 – Od genů k druhům: A Primer on Evolution
BIO101 – What Creatures Do: Chování zvířat
BIO101 – Organismy v čase a prostoru: Ekologie
BIO101 – Vznik biologické rozmanitosti
BIO101 – Evoluce biologické rozmanitosti
BIO101 – Současná biologická rozmanitost