I denne forelæsning, såvel som i den foregående og den næste, tager jeg fat på de områder af biologien, hvor jeg er virkelig svag: livets oprindelse, livets mangfoldighed og taksonomi/systematik. Det er også områder, hvor der er sket mange ændringer for nylig (ofte endnu ikke indarbejdet i lærebøgerne), og det er usandsynligt, at jeg er opdateret, så hjælp mig venligst med at bringe disse forelæsninger op på niveau…. Dette indlæg blev oprindeligt skrevet i 2006 og genudsendt et par gange, bl.a. i 2010.
Som du måske ved, har jeg undervist BIO101 (og også BIO102 Lab) for ikke-traditionelle studerende i et voksenuddannelsesprogram i omkring tolv år nu. Indimellem museer jeg om det offentligt på bloggen (se dette, dette, dette, dette, dette, dette, dette, dette og dette for et par korte indlæg om forskellige aspekter af det – fra brugen af videoer til brugen af en klasseblog til vigtigheden af Open Access, så de studerende kan læse primær litteratur). Kvaliteten af eleverne i dette program er steget støt i løbet af årene, men jeg er stadig meget begrænset med tiden: Jeg har otte møder på fire timer med de studerende i løbet af otte uger. I denne periode skal jeg undervise dem i alt det biologi, de har brug for til deres ikke-naturvidenskabelige hovedfag, og der skal være tid nok til, at hver studerende kan holde en præsentation (om videnskaben om deres yndlingsdyr og -plante) og til to eksamener. Jeg er således nødt til at skære forelæsningerne ned til det allernødvendigste og håbe, at dette allernødvendigste er det, som de studerende, der ikke har et naturvidenskabeligt hovedfag, virkelig har brug for at vide: begreber frem for fakta, sammenhæng med resten af deres liv frem for sammenhæng med de andre videnskaber. Derfor følger jeg mine forelæsninger op med videoer og diskussioner i klasseværelset, og deres hjemmearbejde består i at finde seje biologivideoer eller artikler og lægge links til dem på klasseværelsets blog, så alle kan se dem. Et par gange har jeg brugt malaria som en rød tråd, der forbandt alle emnerne – fra cellebiologi til økologi til fysiologi til evolution. Jeg synes, at det fungerede godt, men det er svært at gøre. De skriver også en afsluttende opgave om et eller andet aspekt af fysiologi.
En anden ny udvikling er, at administrationen har indset, at de fleste af lærerne har været ansat på skolen i mange år. Vi er erfarne, og vi ved tilsyneladende, hvad vi laver. Derfor har de for nylig givet os meget mere frihed til at udforme vores eget pensum i stedet for at følge et foruddefineret pensum, så længe de endelige mål med undervisningen forbliver de samme. Jeg er ikke helt sikker på, hvornår jeg skal undervise i BIO101-forelæsninger igen (sent efterår, forår?), men jeg vil gerne begynde at nytænke min klasse tidligt. Jeg er også bekymret for, at da jeg ikke aktivt forsker i laboratoriet og derfor ikke følger litteraturen så tæt, er nogle af de ting, jeg underviser i, nu forældede. Ikke at nogen kan følge med i alle fremskridt inden for alle områder af biologien, som er så stor, men i det mindste er de store opdateringer, der påvirker undervisningen i introduktionskurser, ting, som jeg har brug for at vide.
Jeg må indhente det og opgradere mine forelæsningsnoter. Og hvilken bedre måde end crowdsource! Så i løbet af de nye par uger vil jeg genudsende mine gamle forelæsningsnoter (bemærk, at de kun er introduktioner – diskussioner og videoer osv. følger dem i klasseværelset) og vil bede jer om at faktatjekke mig. Hvis jeg har taget fejl, eller hvis noget er forældet, så sig til (men lad være med kun at fremføre din egen foretrukne hypotese, hvis et spørgsmål endnu ikke er afklaret – giv mig i stedet hele den kontroversielle forklaring). Hvis der mangler noget iøjnefaldende, så lad mig det vide. Hvis noget kan siges i et pænere sprog – rediger mine sætninger. Hvis du kender til fede billeder, artikler, blogindlæg, videoer, podcasts, visualiseringer, animationer, spil osv. der kan bruges til at forklare disse grundlæggende begreber, så lad mig vide det. Og til sidst, når vi har gjort dette med alle forelæsningerne, så lad os diskutere det overordnede pensum – er der en bedre måde at organisere alt dette materiale på til en klasse med så højt tempo.
Anatomi er den underdisciplin inden for biologi, der studerer kroppens struktur. Den beskriver (og betegner på latin) kroppens morfologi: form, størrelse, farve og placering af forskellige kropsdele, med særlig opmærksomhed på de indre organer, som de er synlige med det blotte øje. Histologi er en delmængde af anatomi, som beskriver det, der kun kan ses under mikroskopet: hvordan celler er organiseret i væv og væv i organer. (Klassisk) embryologi beskriver den måde, hvorpå væv og organer ændrer form, størrelse, farve og position under udviklingen.
Anatomi giver kortet og værktøjerne til studiet af organernes funktion i kroppen. Den beskriver (men forklarer ikke) kroppens opbygning. Fysiologien beskriver yderligere, hvordan kroppen fungerer, mens evolutionsbiologien giver forklaringen på strukturen og funktionen.
Mens detaljerne i den menneskelige anatomi er vigtige i uddannelsen af læger og sygeplejersker (og dyreanatomi for dyrlæger), har vi ikke tid til, og vi har heller ikke behov for at være alt for opmærksomme på fine anatomiske detaljer. Vi vil samle op på relevant anatomi, når vi diskuterer organernes funktion: fysiologi.
Der er traditionelt set to måder at studere (og undervise i) fysiologi på. Den første tilgang er medicinsk/biokemisk. Kroppen opdeles i organsystemer (f.eks. åndedræts-, fordøjelses- og kredsløbssystem osv.), og hvert system studeres separat, idet man starter med fysiologien for hele organismen og gradvis går ned til organ-, vævs-, celle- og molekylniveauet og slutter med biokemien for den fysiologiske funktion. Kun det menneskelige legeme studeres. Ofte bruges patologier og lidelser til at illustrere, hvordan organer fungerer – ligesom det at reparere en bilmotor ved at udskifte en defekt del hjælper os til at forstå, hvordan motoren normalt fungerer, hjælper studier af sygdomme os til at forstå, hvordan den sunde menneskekrop fungerer.
Den anden tilgang er økologisk/energetisk. De fysiologiske funktioner opdeles ikke efter organsystem, men efter det problem – pålagt af omgivelserne – som kroppen skal løse for at overleve og reproducere sig, f.eks. problemet med termoregulering (kropstemperatur), osmoregulering (salt/vand-balance), lokomotion (bevægelse), stressreaktion osv. hvor hvert problem udnytter flere organsystemer. Et vigtigt aspekt af denne tilgang er studiet af den måde, hvorpå kroppen udnytter energi: Er løsningen energimæssigt optimal? Individer, der har løst et problem med en mere energieffektiv fysiologisk mekanisme, vil blive begunstiget af den naturlige udvælgelse – derfor er denne tilgang også dybt forankret i en evolutionær kontekst. Endelig er denne tilgang meget komparativ – studiet af dyr, der lever i særligt usædvanlige eller barske miljøer, hjælper os med at forstå oprindelsen og udviklingen af fysiologiske mekanismer både hos mennesker og hos andre dyr.
Lærebogen er usædvanlig god (for en lærebog i introduktion til biologi) i sit forsøg på at bygge bro og kombinere begge tilgange. Desværre har vi ikke tid nok til at dække alle systemer og alle problemer i detaljer, så vi vil holde os til den første, medicinske tilgang og kun dække nogle få af systemerne i menneskekroppen, men jeg opfordrer dig til at læse de relevante kapitler i lærebogen for også at forstå de økologiske og evolutionære aspekter af fysiologien (for ikke at nævne nogle virkelig fede eksempler på problemløsning i dyrs kroppe). Tip: brug “Self Test”-spørgsmålene i slutningen af hvert kapitel, og hvis du besvarer dem korrekt, er du klar til eksamen.
Lad os starte med at se på et par vigtige grundprincipper, der gælder for hele fysiologien. Et af disse principper er princippet om skalering, som du bør læse det handout, som vi vil diskutere i næste time. Det andet vigtige princip i fysiologien er fænomenet feedback loops: både negative og positive feedback loops.
Negative feedback loop fungerer på en måde, der minder meget om den graf, som vi tegnede, da vi diskuterede adfærd. Kroppen har en sensor, der overvåger kroppens tilstand – det indre miljø (i modsætning til det ydre miljø, som vi talte om, da vi diskuterede adfærd), f.eks. blodets indhold af ilt og kuldioxid, blodtrykket, spændingen i musklerne osv. Hvis noget i det indre miljø ændrer sig fra de normale, optimale værdier, informerer sensoren integratoren (normalt nervesystemet), som iværksætter en handling (via en effektor) for at bringe kroppen tilbage til sin normale tilstand.
Sådan fører en hændelse A til reaktion B, som fører til modvirkning og eliminering af hændelse A. Næsten alle funktioner i kroppen fungerer som et negativt feedbackloop. Hvis der f.eks. udskilles et hormon, vil der sammen med den funktionelle virkning af dette hormon også blive udløst et negativt feedbackloop, som vil stoppe den yderligere udskillelse af dette hormon.
Der er meget få funktioner i kroppen, der følger et andet mønster – det positive feedbackloop. Der fører en hændelse A til reaktion B, som fører til genindledning og intensivering af hændelse A, som fører til en stærkere reaktion B … og så videre, indtil en tærskelværdi er nået eller det endelige mål er nået, hvorefter alt pludselig går tilbage til det normale.
Vi vil se på et eksempel på det positive feedbackloop, der sker i nervesystemet i næste uge. Indtil videre vil vi opregne nogle andre bemærkelsesværdige positive feedback-loops hos mennesker.
Først er blodkoagulationsmekanismen en kaskade af biokemiske reaktioner, der fungerer efter dette princip. En skade stimulerer produktionen af et molekyle, der udløser produktionen af et andet molekyle, som udløser produktionen af et andet molekyle samt produktion af mere af det første molekyle og så videre, indtil skaden er helt lukket.
Børnefødsel er et andet eksempel på det positive feedback loop. Når barnet er klar til at komme ud (og der er ingen mulighed for at stoppe det på dette tidspunkt!), frigiver det et hormon, der udløser den første sammentrækning af livmoderen. Sammentrækningen af livmoderen skubber barnet en smule ud. Denne bevægelse af barnet strækker livmodervæggen. Livmodervæggen indeholder strækreceptorer, som sender signaler til hjernen. Som svar på signalet frigiver hjernen (faktisk den bageste del af hypofysen, som er en udvækst af hjernen) hormonet oxytocin. Oxytocin kommer ud i blodbanen og når frem til livmoderen, hvilket udløser den næste sammentrækning, som igen flytter barnet, hvilket yderligere strækker livmodervæggen, hvilket resulterer i mere frigivelse af oxytocin … og så videre, indtil barnet er udstødt, hvorefter alt vender tilbage til det normale.
Næste eksempel på det positive feedback loop er også relateret til babyer – amning. Når spædbarnet er sultent, fører moderen dets mund hen til brystvorten. Når barnet hægter sig fast på brystvorten og forsøger at sutte, stimulerer dette receptorerne i brystvorten, som giver hjernen besked. Hjernen frigiver hormonet oxytocin fra den bageste hypofyse. Oxytocin kommer ud i blodbanen og stimulerer mælkekirtlen til at frigive mælk (ikke til at syntetisere mælk – den er allerede lagret i brysterne). Frigivelsen af mælk ved brystvorten stimulerer barnet til at begynde at sutte kraftigt, hvilket stimulerer receptorerne i brystvorten endnu mere, så der frigives endnu mere oxytocin fra hypofysen, og der frigives endnu mere mælk fra mælkekirtlen, og så videre, indtil barnet er mæt og løsner sig fra brystet, hvorefter alt går tilbage til det normale.
Næste eksempel på det positive feedback loop er også relateret til babyer, men ni måneder tidligere. Kopulation – ja, at have sex – er et eksempel på et positivt feedback loop, både hos hunner og hos hanner. Den indledende stimulering af kønsorganerne stimulerer berøringsreceptorerne, som giver besked til hjernen, som igen stimulerer fortsættelsen (og den gradvise fremskyndelse) af bevægelsen, som giver yderligere taktil stimulering og så videre indtil orgasmen, hvorefter alt går tilbage til det normale (trods efterglød).
Det sidste eksempel gælder også for kroppens nederste regioner. Micturition (vandladning) er også et positivt feedback loop. Væggen i urinblæren er opbygget på en sådan måde, at der er flere lag af celler. Når blæren fyldes op, strækker væggen sig, og disse celler flytter sig rundt, indtil væggen kun er en enkelt celle tyk. På dette tidspunkt er vandladning uundgåelig (kan ikke stoppes ved hjælp af frivillig kontrol). Begyndelsen af vandladningen starter bevægelsen af cellerne tilbage fra enkeltlagstilstand til flerlagstilstand. Dette trækker blæren yderligere sammen, hvilket tvinger urinen endnu mere ud, hvilket trækker blærevæggen endnu mere sammen, og så videre, indtil blæren er helt tom igen, og alt går tilbage til det normale.
Begrebet feedback loops er afgørende for forståelsen af princippet om homøostase. Homeostatiske mekanismer sikrer, at det indre miljø forbliver konstant, og at alle parametre holdes på deres optimale niveau (f.eks. temperatur, pH, salt/vand-balance osv.) over tid. Hvis en ændring i miljøet (f.eks. udsættelse for varme eller kulde) medfører en ændring af kroppens indre temperatur, registreres dette af termoreceptorer i kroppen. Dette udløser korrigerende mekanismer: hvis kroppen er overophedet, udvider kapillærerne i huden sig og udstråler varme, og svedkirtlen frigiver sved; hvis kroppen er for kold, trækker kapillærerne i huden sig sammen, musklerne begynder at ryste, hårene rejser sig (gåsehud), og skjoldbruskkirtelhormonerne frigives, hvilket resulterer i åbning af porerne i mitokondriernes membraner i musklerne, hvilket reducerer effektiviteten af nedbrydningen af glukose til vand og kuldioxid og dermed producerer overskudsvarme. Uanset hvad, vil kropstemperaturen blive bragt tilbage til sit optimale niveau (omkring 37 grader Celsius), som kaldes set-point for kropstemperaturen. Hvert aspekt af det indre miljø har sit eget set-point, som forsvares af homøostatiske mekanismer.
Hvorvidt det er korrekt, er der dog et problem med begrebet homøostase. Et af problemerne med begrebet “homøostase” er sprogligt: selve begrebet homøostase er misvisende. “Homeo” betyder “lignende, samme”, og “stasis” betyder “stabilitet”. Således antyder ordet homeostase (som blev opfundet af Walter Cannon i begyndelsen af det 20. århundrede) en stærk og absolut konstans. Forestil dig, at du fik til opgave at tegne en grafisk fremstilling af begrebet homeostase på 10 sekunder. Uden tilstrækkelig betænkningstid ville du sandsynligvis tegne noget som dette:
Det vigtigste kendetegn ved denne graf er, at setpunktet er konstant over tid. Men det er ikke sådan, det fungerer i den virkelige verden. Ovenstående graf er kun korrekt, hvis tidsskalaen (på X-aksen) kun strækker sig fra sekunder til minutter. Hvis den udvides til timer, dage eller år, vil grafen blive fejlagtig – linjen vil ikke længere være lige og vandret. Setpunktet ændrer sig på en forudsigelig og velkontrolleret måde. F.eks. kan setpunktet for testosteronniveauet i blodet hos menneskelige mænd i løbet af et helt liv se således ud:
Det ville være et eksempel på udviklingskontrol af et setpunkt. På hvert tidspunkt forsvares dette set-point af homøostatiske mekanismer, men set-point-værdien styres i sig selv af andre fysiologiske processer. Et andet eksempel på kontrolleret ændring af et setpunkt kan se således ud:
Det ville være et eksempel på en oscillerende kontrol af et setpunkt. I begyndelsen af 1980’erne opfandt Nicholas Mrosovsky et nyt begreb til erstatning for “homeostase” og specifikt til at betegne kontrollerede ændringer af set-points for alle biokemiske, fysiologiske og adfærdsmæssige værdier – rheostase.
Næsten alle aspekter af fysiologi (og adfærd) udviser rheostase, både udviklingsmæssige og oscillatoriske (daglige og/eller årlige rytmer). Nogle bemærkelsesværdige undtagelser er blodets pH-værdi (som skal holdes inden for et meget snævert interval 7,35-7,45) og blodets kalciumniveau. Hvis pH- eller kalciumniveauet bevæger sig for langt væk fra den optimale værdi, kan kroppens celler (især nerveceller, muskler og hjerteceller) ikke fungere korrekt, og kroppen er i fare for at dø med det samme.
Overflødig læsning:
‘Medicine Needs Evolution’ af Nesse, Stearns og Omenn
Forrige dele af denne serie:
BIO101 – Biologi og den videnskabelige metode
BIO101 – Cellestruktur
BIO101 – Proteinsyntese: Transkription og translation
BIO101: Interaktioner mellem celler
BIO101 – Fra én celle til to: celledeling og DNA-replikation
BIO101 – Fra to celler til mange: Celledifferentiering og embryonal udvikling
BIO101 – Fra gener til egenskaber: Hvordan genotype påvirker fænotype
BIO101 – Fra gener til arter: Fra gener til arter: En grundbog om evolution
BIO101 – Hvad væsener gør: Dyrs adfærd
BIO101 – Organismer i tid og rum: Økologi
BIO101 – Den biologiske mangfoldigheds oprindelse
BIO101 – Den biologiske mangfoldigheds udvikling
BIO101 – Den aktuelle biologiske mangfoldighed
BIO101 – Den aktuelle biologiske mangfoldighed