In dieser Vorlesung, wie auch in der vorherigen und der nächsten, behandle ich Bereiche der Biologie, in denen ich wirklich schwach bin: Ursprung des Lebens, Vielfalt des Lebens und Taxonomie/Systematik. Dies sind auch Bereiche, in denen es in letzter Zeit viele Veränderungen gegeben hat (die oft noch nicht in die Lehrbücher eingearbeitet wurden), und es ist unwahrscheinlich, dass ich auf dem neuesten Stand bin, also helfen Sie mir bitte, diese Vorlesungen auf den neuesten Stand zu bringen…. Dieser Beitrag stammt ursprünglich aus dem Jahr 2006 und wurde einige Male neu veröffentlicht, u. a. 2010.
Wie Sie vielleicht wissen, unterrichte ich seit etwa zwölf Jahren BIO101 (und auch das BIO102-Labor) für nicht-traditionelle Studenten im Rahmen eines Erwachsenenbildungsprogramms. Von Zeit zu Zeit schreibe ich öffentlich in meinem Blog darüber (siehe dies, dies, dies, dies, dies und dies für einige kurze Beiträge über verschiedene Aspekte – vom Einsatz von Videos über die Verwendung eines Blogs im Klassenzimmer bis hin zur Bedeutung von Open Access, damit die Studenten Primärliteratur lesen können). Die Qualität der Schüler in diesem Programm hat sich im Laufe der Jahre stetig verbessert, aber ich stehe immer noch unter großem Zeitdruck: Ich habe acht 4-stündige Treffen mit den Studenten in acht Wochen. In dieser Zeit muss ich ihnen alles beibringen, was sie für ihr nicht-naturwissenschaftliches Hauptfach brauchen, und außerdem genug Zeit für eine Präsentation (über die Wissenschaft ihrer Lieblingspflanze oder ihres Lieblingstieres) und für zwei Prüfungen lassen. Daher muss ich die Vorlesungen auf das Nötigste reduzieren und hoffen, dass dieses Nötigste das ist, was die Nicht-Naturwissenschaftler wirklich wissen müssen: Konzepte statt Fakten, Zusammenhänge mit dem Rest ihres Lebens statt Zusammenhänge mit den anderen Wissenschaften. Daher begleite ich meine Vorlesungen mit Videos und Diskussionen im Klassenzimmer, und die Hausaufgaben bestehen darin, coole Biologievideos oder -artikel zu finden und die Links in den Klassenblog zu stellen, damit alle sie sehen können. Ein paar Mal habe ich Malaria als roten Faden benutzt, der alle Themen miteinander verband – von Zellbiologie über Ökologie und Physiologie bis hin zur Evolution. Ich denke, das hat gut funktioniert, aber es ist schwer zu machen. Sie schreiben auch eine Abschlussarbeit über einen Aspekt der Physiologie.
Eine weitere neue Entwicklung ist, dass die Verwaltung erkannt hat, dass die meisten Dozenten schon seit vielen Jahren an der Schule sind. Wir haben Erfahrung und wissen offenbar, was wir tun. Deshalb haben wir seit kurzem viel mehr Freiheiten, um unseren eigenen Lehrplan zu erstellen, anstatt einem vorgegebenen Lehrplan zu folgen, solange die endgültigen Ziele des Unterrichts die gleichen bleiben. Ich weiß nicht genau, wann ich die BIO101-Vorlesungen wieder halten werde (Spätherbst, Frühjahr?), aber ich möchte frühzeitig damit beginnen, meinen Unterricht zu überdenken. Da ich nicht mehr aktiv im Labor forsche und daher die Literatur nicht mehr so genau verfolge, mache ich mir auch Sorgen, dass einige der Dinge, die ich unterrichte, inzwischen veraltet sind. Nicht, dass irgendjemand mit allen Fortschritten in allen Bereichen der Biologie, die so riesig ist, Schritt halten kann, aber zumindest große Aktualisierungen, die sich auf die Lehre von Einführungskursen auswirken, sind Dinge, die ich wissen muss.
Ich muss aufholen und meine Vorlesungsunterlagen aktualisieren. Und was gibt es Besseres als Crowdsource! In den nächsten Wochen werde ich also meine alten Vorlesungsskripte erneut veröffentlichen (beachten Sie, dass es sich dabei nur um Einführungen handelt – Diskussionen und Videos usw. folgen im Unterricht) und Sie bitten, mich zu überprüfen. Wenn ich etwas falsch verstanden habe oder etwas nicht mehr aktuell ist, lassen Sie es mich wissen (aber stellen Sie nicht nur Ihre eigene bevorzugte Hypothese auf, wenn eine Frage noch nicht geklärt ist – geben Sie mir stattdessen die gesamte Erklärung der Kontroverse). Wenn etwas eklatant fehlt, lassen Sie es mich wissen. Wenn etwas in einer schöneren Sprache gesagt werden kann – korrigieren Sie meine Sätze. Wenn Sie coole Bilder, Artikel, Blog-Posts, Videos, Podcasts, Visualisierungen, Animationen, Spiele usw. kennen, die zur Erklärung dieser grundlegenden Konzepte verwendet werden können, lassen Sie es mich wissen. Und am Ende, wenn wir das mit allen Vorlesungen gemacht haben, lassen Sie uns den gesamten Lehrplan besprechen – gibt es einen besseren Weg, all dieses Material für einen so schnelllebigen Kurs zu organisieren.
Anatomie ist die Teildisziplin der Biologie, die die Struktur des Körpers untersucht. Sie beschreibt (und bezeichnet in lateinischer Sprache) die Morphologie des Körpers: Form, Größe, Farbe und Lage der verschiedenen Körperteile, mit besonderem Augenmerk auf die inneren Organe, wie sie mit dem bloßen Auge sichtbar sind. Die Histologie ist ein Teilbereich der Anatomie, der beschreibt, was nur unter dem Mikroskop zu sehen ist: wie Zellen zu Geweben und Gewebe zu Organen organisiert sind. Die (klassische) Embryologie beschreibt die Art und Weise, wie Gewebe und Organe ihre Form, Größe, Farbe und Position während der Entwicklung verändern.
Die Anatomie liefert die Karte und die Werkzeuge für die Untersuchung der Funktion der Organe im Körper. Sie beschreibt (erklärt aber nicht) den Aufbau des Körpers. Die Physiologie beschreibt, wie der Körper funktioniert, während die Evolutionsbiologie die Struktur und die Funktion erklärt.
Die Details der menschlichen Anatomie sind zwar für die Ausbildung von Ärzten und Krankenschwestern (und die Tieranatomie für Tierärzte) von wesentlicher Bedeutung, aber wir haben weder Zeit noch müssen wir uns allzu sehr mit den anatomischen Details befassen. Wir werden die relevante Anatomie aufgreifen, wenn wir die Funktion der Organe besprechen: die Physiologie.
Es gibt traditionell zwei Möglichkeiten, Physiologie zu studieren (und zu lehren). Der erste Ansatz ist medizinisch/biochemisch. Der Körper wird in Organsysteme unterteilt (z. B. Atmung, Verdauung, Kreislauf usw.), und jedes System wird separat studiert, wobei man mit der Physiologie des gesamten Organismus beginnt und allmählich bis auf die Ebene der Organe, Gewebe, Zellen und Moleküle hinuntergeht und mit der Biochemie der physiologischen Funktion endet. Es wird nur der menschliche Körper untersucht. Oft werden Pathologien und Störungen zur Veranschaulichung der Funktionsweise von Organen herangezogen – so wie die Reparatur eines Automotors durch den Austausch eines defekten Teils uns hilft zu verstehen, wie der Motor normalerweise funktioniert, so hilft uns die Untersuchung von Krankheiten zu verstehen, wie der gesunde menschliche Körper funktioniert.
Der andere Ansatz ist ökologisch/energetisch. Die physiologischen Funktionen werden nicht nach Organsystemen unterteilt, sondern nach den von der Umwelt auferlegten Problemen, die der Körper lösen muss, um zu überleben und sich fortzupflanzen, z. B. das Problem der Thermoregulation (Körpertemperatur), der Osmoregulation (Salz-/Wasserhaushalt), der Fortbewegung (Bewegung), der Stressreaktion usw., wobei jedes Problem mehrere Organsysteme in Anspruch nimmt. Ein wichtiger Aspekt dieses Ansatzes ist die Untersuchung der Art und Weise, wie der Körper Energie verbraucht: Ist die Lösung energetisch optimal? Individuen, die ein Problem mit einem energieeffizienteren physiologischen Mechanismus gelöst haben, werden von der natürlichen Auslese bevorzugt – daher ist dieser Ansatz auch tief in einem evolutionären Kontext verwurzelt. Schließlich ist dieser Ansatz sehr vergleichend – das Studium von Tieren, die in besonders ungewöhnlichen oder rauen Umgebungen leben, hilft uns, den Ursprung und die Entwicklung physiologischer Mechanismen sowohl beim Menschen als auch bei anderen Tieren zu verstehen.
Das Lehrbuch ist ungewöhnlich gut (für ein Lehrbuch zur Einführung in die Biologie), da es versucht, beide Ansätze zu überbrücken und zu kombinieren. Leider reicht die Zeit nicht aus, um alle Systeme und alle Probleme im Detail zu behandeln, daher werden wir uns an den ersten, medizinischen Ansatz halten und nur einige wenige Systeme des menschlichen Körpers behandeln, aber ich empfehle Ihnen dringend, die entsprechenden Kapitel des Lehrbuchs zu lesen, um auch die ökologischen und evolutionären Aspekte der Physiologie zu verstehen (ganz zu schweigen von einigen wirklich coolen Beispielen für Problemlösungen von Tierkörpern). Tipp: Nutzen Sie die „Selbsttest“-Fragen am Ende jedes Kapitels. Wenn Sie sie richtig beantworten, sind Sie bereit für die Prüfung.
Zunächst wollen wir uns einige wichtige Grundprinzipien ansehen, die für die gesamte Physiologie gelten. Eines dieser Prinzipien ist das der Skalierung, zu dem Sie das Handout lesen sollten, das wir nächstes Mal im Unterricht besprechen werden. Das zweite wichtige Prinzip in der Physiologie ist das Phänomen der Rückkopplungsschleifen: sowohl negative als auch positive Rückkopplungsschleifen.
Die negative Rückkopplungsschleife funktioniert ganz ähnlich wie das Diagramm, das wir gezeichnet haben, als wir das Verhalten besprochen haben. Der Körper hat einen Sensor, der den Zustand des Körpers überwacht – die innere Umgebung (im Gegensatz zur äußeren Umgebung, über die wir bei der Diskussion des Verhaltens gesprochen haben), z.B. den Sauerstoff- und Kohlendioxidgehalt des Blutes, den Blutdruck, die Muskelspannung usw. Wenn sich etwas in der inneren Umgebung von den normalen, optimalen Werten abweicht, informiert der Sensor den Integrator (in der Regel das Nervensystem), der (über einen Effektor) eine Aktion einleitet, um den Körper wieder in den Normalzustand zu versetzen.
Ein Ereignis A führt also zu einer Reaktion B, die zur Bekämpfung und Beseitigung des Ereignisses A führt. Fast jede Funktion im Körper funktioniert wie eine negative Rückkopplungsschleife. Wenn zum Beispiel ein Hormon ausgeschüttet wird, wird neben der funktionellen Wirkung dieses Hormons auch eine negative Rückkopplungsschleife ausgelöst, die die weitere Ausschüttung dieses Hormons stoppt.
Es gibt nur wenige Funktionen im Körper, die einem anderen Muster folgen – der positiven Rückkopplungsschleife. Hier führt ein Ereignis A zu einer Reaktion B, die zu einer erneuten Auslösung und Verstärkung des Ereignisses A führt, was wiederum eine stärkere Reaktion B zur Folge hat… und so weiter, bis eine Schwelle erreicht oder das endgültige Ziel erreicht ist, dann kehrt alles abrupt in den Normalzustand zurück.
Wir werden uns nächste Woche ein Beispiel für eine positive Rückkopplungsschleife im Nervensystem ansehen. Für den Moment wollen wir einige andere bemerkenswerte positive Rückkopplungsschleifen beim Menschen auflisten.
Erstens ist der Blutgerinnungsmechanismus eine Kaskade biochemischer Reaktionen, die nach diesem Prinzip funktioniert. Eine Verletzung regt die Produktion eines Moleküls an, das die Produktion eines anderen Moleküls auslöst, das wiederum die Produktion eines weiteren Moleküls auslöst, das wiederum die Produktion des ersten Moleküls auslöst, und so weiter, bis die Verletzung vollständig geschlossen ist.
Die Geburt eines Kindes ist ein weiteres Beispiel für eine positive Rückkopplungsschleife. Wenn das Baby bereit ist, herauszukommen (und zu diesem Zeitpunkt ist es nicht mehr aufzuhalten!), setzt es ein Hormon frei, das die erste Kontraktion der Gebärmutter auslöst. Die Kontraktion der Gebärmutter drückt das Baby ein wenig nach außen. Durch diese Bewegung des Babys wird die Wand der Gebärmutter gedehnt. In der Wand der Gebärmutter befinden sich Dehnungsrezeptoren, die Signale an das Gehirn senden. Als Reaktion auf das Signal schüttet das Gehirn (eigentlich der hintere Teil der Hirnanhangsdrüse, die eine Ausstülpung des Gehirns ist) das Hormon Oxytocin aus. Oxytocin gelangt in den Blutkreislauf und erreicht die Gebärmutter, wodurch die nächste Kontraktion ausgelöst wird, die wiederum das Baby bewegt, wodurch die Gebärmutterwand weiter gedehnt wird, was zu einer weiteren Freisetzung von Oxytocin führt … und so weiter, bis das Baby ausgestoßen wird, dann kehrt alles zur Normalität zurück.
Das nächste Beispiel für die positive Rückkopplungsschleife bezieht sich ebenfalls auf Babys – das Stillen. Wenn der Säugling hungrig ist, bringt die Mutter seinen Mund an die Brustwarze. Wenn sich das Baby an der Brustwarze festkrallt und versucht zu saugen, werden die Rezeptoren in der Brustwarze stimuliert, die das Gehirn benachrichtigen. Das Gehirn schüttet das Hormon Oxytocin aus der hinteren Hirnanhangdrüse aus. Oxytocin gelangt in den Blutkreislauf und regt die Brustdrüse zur Freisetzung von Milch an (nicht zur Synthese von Milch – diese ist bereits in der Brust gespeichert). Die Freisetzung von Milch an der Brustwarze regt das Baby dazu an, kräftig zu saugen, was die Rezeptoren in der Brustwarze noch mehr stimuliert, so dass noch mehr Oxytocin aus der Hypophyse freigesetzt wird und noch mehr Milch von der Brustdrüse abgegeben wird, und so weiter, bis das Baby gesättigt ist und sich von der Brust löst, woraufhin sich alles wieder normalisiert.
Das nächste Beispiel für eine positive Rückkopplungsschleife hat ebenfalls mit Babys zu tun, aber neun Monate früher. Die Kopulation – ja, der Geschlechtsverkehr – ist ein Beispiel für eine positive Rückkopplungsschleife, sowohl bei weiblichen als auch bei männlichen Tieren. Die anfängliche Stimulierung der Genitalien regt die Berührungsrezeptoren an, die das Gehirn benachrichtigen, das wiederum die Fortsetzung (und allmähliche Beschleunigung) der Bewegung anregt, die für weitere taktile Stimulierung sorgt, und so weiter, bis zum Orgasmus, nach dem sich alles wieder normalisiert (ungeachtet des Nachglühens).
Das letzte Beispiel gilt auch für die unteren Regionen des Körpers. Auch die Miktion (das Wasserlassen) ist eine positive Rückkopplungsschleife. Die Wand der Harnblase ist so aufgebaut, dass sie aus mehreren Zellschichten besteht. Wenn sich die Blase füllt, dehnt sich die Wand aus und diese Zellen verschieben sich, bis die Wand nur noch eine einzige Zelle dick ist. An diesem Punkt ist der Harndrang unvermeidlich (er kann nicht durch willentliche Kontrolle gestoppt werden). Mit dem Beginn des Wasserlassens beginnt die Bewegung der Zellen vom einschichtigen Zustand zurück in den mehrschichtigen Zustand. Dadurch zieht sich die Blase weiter zusammen, wodurch noch mehr Urin herausgedrückt wird, was die Blasenwand noch mehr zusammenzieht, und so weiter, bis die Blase wieder vollständig entleert ist und sich alles wieder normalisiert.
Das Konzept der Rückkopplungsschleifen ist für das Verständnis des Prinzips der Homöostase wesentlich. Homöostatische Mechanismen sorgen dafür, dass die innere Umgebung konstant bleibt und alle Parameter (z. B. Temperatur, pH-Wert, Salz-Wasser-Gleichgewicht usw.) im Laufe der Zeit auf ihrem optimalen Niveau gehalten werden. Wenn eine Veränderung in der Umwelt (z. B. Hitze- oder Kälteeinwirkung) zu einer Veränderung der inneren Körpertemperatur führt, wird dies von Thermorezeptoren im Körper wahrgenommen. Dadurch werden Korrekturmechanismen ausgelöst: Ist der Körper überhitzt, dehnen sich die Kapillaren in der Haut aus und strahlen Wärme ab, und die Schweißdrüsen geben Schweiß ab; ist der Körper zu kalt, ziehen sich die Kapillaren in der Haut zusammen, die Muskeln beginnen zu zittern, die Haare stellen sich auf (Gänsehaut), und die Schilddrüsenhormone werden ausgeschüttet, was dazu führt, dass sich die Poren in den Membranen der Mitochondrien in den Muskeln öffnen, wodurch die Effizienz des Abbaus von Glukose zu Wasser und Kohlendioxid verringert wird und somit überschüssige Wärme entsteht. In jedem Fall wird die Körpertemperatur auf ihr optimales Niveau (etwa 37 Grad Celsius) zurückgeführt, das als Sollwert für die Körpertemperatur bezeichnet wird. Jeder Aspekt der inneren Umgebung hat seinen eigenen Sollwert, der durch homöostatische Mechanismen verteidigt wird.
Das Konzept der Homöostase ist zwar im Wesentlichen richtig, doch gibt es ein Problem. Eines der Probleme mit dem Begriff „Homöostase“ ist sprachlicher Natur: Schon der Begriff Homöostase ist irreführend. „Homeo“ bedeutet „ähnlich, gleich“ und „Stase“ bedeutet „Stabilität“. Somit suggeriert das Wort Homöostase (geprägt von Walter Cannon im frühen 20. Jahrhundert) eine starke und absolute Konstanz. Stellen Sie sich vor, Sie würden aufgefordert, in 10 Sekunden eine grafische Darstellung des Konzepts der Homöostase zu zeichnen. Ohne ausreichend Zeit zum Nachdenken würden Sie wahrscheinlich so etwas zeichnen:
Das Hauptmerkmal dieser Grafik ist, dass der Sollwert über die Zeit konstant ist. Aber so funktioniert es nicht in der realen Welt. Das obige Diagramm ist nur korrekt, wenn die Zeitskala (auf der X-Achse) nur Sekunden bis Minuten umfasst. Wird er auf Stunden, Tage oder Jahre ausgedehnt, wäre die Grafik fehlerhaft – die Linie wäre nicht mehr gerade und horizontal. Der Sollwert ändert sich in einer vorhersehbaren und gut kontrollierten Weise. So könnte der Sollwert für den Testosteronspiegel im Blut eines männlichen Menschen im Laufe seines Lebens wie folgt aussehen:
Das wäre ein Beispiel für die Entwicklungssteuerung eines Sollwerts. Zu jedem Zeitpunkt wird dieser Sollwert durch homöostatische Mechanismen verteidigt, aber der Sollwert selbst wird durch andere physiologische Prozesse gesteuert. Ein anderes Beispiel für eine kontrollierte Änderung eines Sollwerts könnte so aussehen:
Dies wäre ein Beispiel für eine oszillatorische Steuerung eines Sollwerts. In den frühen 1980er Jahren prägte Nicholas Mrosovsky einen neuen Begriff, der den Begriff „Homöostase“ ersetzt und speziell die kontrollierten Veränderungen der Sollwerte aller biochemischen, physiologischen und verhaltensbezogenen Werte bezeichnet – Rheostase.
Fast jeder Aspekt der Physiologie (und des Verhaltens) weist eine Rheostase auf, sowohl entwicklungsbedingt als auch oszillierend (tägliche und/oder jährliche Rhythmen). Einige bemerkenswerte Ausnahmen sind der pH-Wert des Blutes (der in einem sehr engen Bereich zwischen 7,35 und 7,45 gehalten werden muss) und der Calciumspiegel im Blut. Wenn sich der pH-Wert oder der Kalziumspiegel zu weit vom optimalen Wert entfernen, können die Körperzellen (vor allem Nervenzellen, Muskeln und Herzzellen) nicht mehr richtig funktionieren, und es besteht die Gefahr, dass der Körper sofort stirbt.
Zusätzliche Lektüre:
‚Medicine Needs Evolution‘ von Nesse, Stearns und Omenn
Vorher in dieser Reihe:
BIO101 – Biologie und die wissenschaftliche Methode
BIO101 – Zellstruktur
BIO101 – Proteinsynthese: Transkription und Translation
BIO101: Wechselwirkungen zwischen Zellen
BIO101 – Aus einer Zelle werden zwei: Zellteilung und DNA-Replikation
BIO101 – Aus zwei Zellen werden viele: Zelldifferenzierung und Embryonalentwicklung
BIO101 – Von Genen zu Merkmalen: Wie der Genotyp den Phänotyp beeinflusst
BIO101 – Von den Genen zu den Arten: Eine Fibel zur Evolution
BIO101 – Was Lebewesen tun: Tierisches Verhalten
BIO101 – Organismen in Zeit und Raum: Ökologie
BIO101 – Ursprung der biologischen Vielfalt
BIO101 – Evolution der biologischen Vielfalt
BIO101 – Aktuelle biologische Vielfalt