Arquidia Mantina

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Biologie für Hauptfachstudenten II

Lernergebnisse

  • Erläutern Sie, wie verschiedene Organsysteme miteinander in Beziehung stehen, um die Homöostase aufrechtzuerhalten

Jedes Organsystem erfüllt spezifische Funktionen für den Körper, und jedes Organsystem wird normalerweise unabhängig voneinander untersucht. Die Organsysteme arbeiten jedoch auch zusammen, um den Körper bei der Aufrechterhaltung der Homöostase zu unterstützen.

Wasserhaushalt

Das Herz-Kreislauf-, das Harn- und das Lymphsystem helfen dem Körper beispielsweise bei der Kontrolle des Wasserhaushalts. Das kardiovaskuläre und das lymphatische System transportieren Flüssigkeiten durch den Körper und helfen dabei, den Wasserstand zu messen und den Druck zu regulieren. Wenn der Wassergehalt zu hoch ist, produziert das Harnsystem mehr verdünnten Urin (Urin mit höherem Wassergehalt), um das überschüssige Wasser auszuscheiden. Wenn der Wasserspiegel zu niedrig ist, wird mehr konzentrierter Urin produziert, um Wasser zu sparen.

Innere Temperaturen

Auch das Herz-Kreislauf-System, das Integumentarium (Haut und zugehörige Strukturen), das Atmungs- und das Muskelsystem arbeiten zusammen, um dem Körper zu helfen, eine stabile Innentemperatur zu halten. Wenn die Körpertemperatur ansteigt, erweitern sich die Blutgefäße in der Haut, so dass mehr Blut in die Nähe der Hautoberfläche fließen kann. Dadurch kann die Wärme über die Haut an die Umgebungsluft abgegeben werden. Die Haut kann auch Schweiß produzieren, wenn der Körper zu heiß wird; wenn der Schweiß verdunstet, trägt er zur Kühlung des Körpers bei. Auch eine schnelle Atmung kann dem Körper helfen, überschüssige Wärme abzuführen. Diese Reaktionen auf die erhöhte Körpertemperatur erklären, warum man schwitzt, keucht und rot im Gesicht wird, wenn man sich anstrengt. (Die starke Atmung während des Trainings ist auch ein Weg, wie der Körper mehr Sauerstoff zu den Muskeln bringt und das von den Muskeln produzierte zusätzliche Kohlendioxid loswird.)

Umgekehrt ziehen sich die Blutgefäße in der Haut zusammen, wenn der Körper zu kalt ist, und der Blutfluss in die Extremitäten (Arme und Beine) wird langsamer. Die Muskeln kontrahieren und entspannen sich schnell, wodurch Wärme erzeugt wird, um Sie warm zu halten. Die Haare auf der Haut stellen sich auf, wodurch mehr Luft, die ein guter Isolator ist, in der Nähe der Haut eingeschlossen wird. Diese Reaktionen auf die sinkende Körpertemperatur erklären, warum man zittert, eine „Gänsehaut“ bekommt und kalte, blasse Extremitäten hat, wenn einem kalt ist.

Fallstudie: Fieber

Was passiert also, wenn man Fieber hat? Bedeutet dies, dass Ihr Körper nicht in der Lage ist, seine Homöostase aufrechtzuerhalten, so wie Ihr Haus zu heiß wird, wenn Ihre Klimaanlage kaputt ist?

In extremen Fällen kann Fieber ein medizinischer Notfall sein; aber Fieber ist eine adaptive physiologische Reaktion unseres Körpers auf bestimmte Infektionserreger. Bestimmte Chemikalien, so genannte Pyrogene, veranlassen den Hypothalamus, den Sollwert auf einen höheren Wert zu setzen. Das ist in etwa so, als würden Sie den Thermostat in Ihrem Haus auf eine höhere Temperatur einstellen, um an einem heißen Tag Energie zu sparen, wenn Sie tagsüber nicht zu Hause sein werden. Diese Pyrogene können von Mikroorganismen stammen, die Sie infizieren, oder sie können von Ihren Körperzellen als Reaktion auf eine Infektion produziert werden.

Praxisfragen

  1. Wenn der Pyrogenspiegel in Ihrem Blut ansteigt und der Sollwert höher eingestellt wird, reagieren die Chemorezeptoren, die jetzt den Hypothalamus stimulieren, auf die Variable ________ und nicht mehr die Thermorezeptoren, die auf die Körpertemperatur als Variable reagieren.
    1. Temperatur
    2. Pyrogene
    3. Herzfrequenz
    4. Blutdruck
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    Option b ist richtig. Der Anstieg der pyrogenen Chemikalien im Blut stimuliert die Rezeptoren, die die obere Temperaturgrenze für eine fiebrige Reaktion zurücksetzen. Die Temperatur ist die Variable bei der normalen Regulierung der Körpertemperatur, aber nicht in diesem Szenario. Das Blut enthält den chemischen Stoff, der die Fieberreaktion auslöst, aber die Herzfrequenz stimuliert diesen Rezeptor nicht direkt. Das Blut transportiert die Chemikalie, die die fiebrige Reaktion stimuliert, aber der Blutdruck stimuliert diesen Rezeptor nicht direkt.

  2. Das Kontrollzentrum ist die _________.
    1. Skelettmuskel
    2. Schweißdrüsen
    3. Blutgefäße
    4. Hypothalamus
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    Antwort d ist richtig. Der Hypothalamus ist das Kontrollzentrum sowohl für die normale Homöostase der Körpertemperatur als auch für die fieberhafte Reaktion. Der Skelettmuskel, die Schweißdrüsen und die Blutgefäße sind allesamt Effektoren.

  3. Da der Sollwert erhöht wurde, fühlen Sie sich jetzt kalt, obwohl Sie normalerweise eine Körpertemperatur im gesunden Bereich haben. Dies führt zu dem „Schüttelfrost“, den man bei Fieber verspürt. Als Reaktion darauf arbeitet der Hypothalumus daran, die Körpertemperatur zu erhöhen. Welche Reaktion bewirkt dies?
    1. Der Hypothalamus regt die Schweißdrüsen und die Erweiterung der Blutgefäße als Effektoren an, um den Körper abzukühlen.
    2. Der Hypothalamus regt die Skelettmuskeln an, zu zittern und die Blutgefäße zu verengen.
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    Option b ist richtig. Dadurch würde sich die Körpertemperatur erhöhen. Option a würde die Körpertemperatur senken.

Obwohl die Beweise nur indirekt sind, wird angenommen, dass Fieber die Immunantwort des Körpers verstärkt. Die erhöhte Temperatur kann die Vermehrung von infektiösen Bakterien und Viren beeinträchtigen, die so angepasst sind, dass sie am besten bei der normalen homöostatischen Körpertemperatur überleben. Dies kann den Immunzellen die Möglichkeit geben, die Mikroorganismen zu zerstören, bevor sie sich rasch vermehren und im Körper verbreiten können. Es gibt auch einige indirekte Hinweise darauf, dass eine erhöhte Körpertemperatur verschiedene Stoffwechselreaktionen leicht verändert, so dass auch das Immunsystem effizienter arbeiten kann.

Praxisfragen

  1. Wenn der neue höhere Sollwert erreicht ist, stimulieren die Thermorezeptoren die _________ als Kontrollzentrum.
    1. Skelettmuskel
    2. Schweißdrüsen
    3. Blutgefäße
    4. Hypothalamus
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    Option d ist richtig. Der Hypothalamus ist das Kontrollzentrum sowohl für die Homöostase der normalen Körpertemperatur als auch für die Fieberreaktion. Muskeln, Schweißdrüsen und Blutgefäße sind Effektoren; sie dienen nicht als Kontrollzentrum.

  2. Als Reaktion werden die Schweißdrüsen und Blutgefäße (Effektoren) auf _________ stimuliert.
    1. Schweiß abzusondern, um zu verdunsten, und die Gefäße zu erweitern, um den Wärmeverlust des Blutes nahe der Hautoberfläche zu erhöhen.
    2. Zittern, um Wärme zu erzeugen, und Verengung der Gefäße, um Wärme zu erhalten, indem das Blut von der Hautoberfläche ferngehalten wird.
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    Option a ist richtig. Dadurch wird der Körper gekühlt. Option b würde den Körper erwärmen.

Bei manchen Infektionen treten leider „Wellen“ von Pyrogenen auf. Dadurch wird der Temperatursollwert nach oben und unten angepasst. Wenn der Pyrogenspiegel sinkt, bekommt man den anderen Teil des Fiebererlebnisses: „Schweißausbrüche“ und Erröten. Solange der Pyrogenspiegel ansteigt und abfällt, haben Sie das Gefühl, dass Sie hin und her schwanken.

Praxisfrage

  1. Wenn der Pyrogenspiegel gesunken ist, weil die Infektion unter Kontrolle ist, setzt das ________ (Kontrollzentrum) den höheren Sollwert auf normal zurück.
    1. Weitere Rezeptoren
    2. Chemorezeptoren
    3. Hypothalamus
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    Option c ist richtig. Der Hypothalamus ist immer noch das Kontrollzentrum, das auf einen Reiz von einer Art von Rezeptor reagiert. Thermorezeptoren und Chemorezeptoren stimulieren das Kontrollzentrum als Reaktion auf eine Veränderung der Variablen, die sie überwachen, in diesem Fall die Körpertemperatur.

Ihr Körper wird weiterhin zwischen den normalen oberen und unteren Temperaturgrenzen des Körpers hin- und herpendeln, aber da er sich jetzt in Ihrem „normalen“ Temperaturbereich befindet, werden Sie wahrscheinlich nicht einmal bemerken, dass Ihr Körper immer noch an der Aufrechterhaltung der Homöostase dieser Variablen arbeitet.

Praxisfrage

  1. Patienten bekommen nach einer Operation oft Fieber. Welcher der folgenden Punkte wäre keine vernünftige Ursache für eine solche Reaktion?
    1. Das durch die Operation verursachte Gewebetrauma hat die Körperzellen zur Freisetzung von Pyrogenen angeregt.
    2. Trotz Vorsichtsmaßnahmen haben sich einige Bakterien während der Operation mit dem Patienten infiziert.
    3. Die Operation hat die Thermorezeptoren beschädigt
    4. Postoperative Medikamente haben das Immunsystem beeinträchtigt und die Freisetzung von Pyrogenen verursacht.
    Antwort anzeigen

    Option c ist richtig. Thermorezeptoren befinden sich im ganzen Körper, so dass es unwahrscheinlich ist, dass eine Operation alle Rezeptoren direkt schädigt. Alle anderen Optionen könnten eine Ursache für postoperatives Fieber sein.

Homöostase von Ionen

Körperfunktionen wie die Regulierung des Herzschlags, die Kontraktion der Muskeln, die Aktivierung von Enzymen und die zelluläre Kommunikation erfordern einen streng regulierten Kalziumspiegel. Normalerweise nehmen wir viel Kalzium über die Nahrung auf. Der Dünndarm absorbiert Kalzium aus der verdauten Nahrung.

Das endokrine System ist die Schaltzentrale für die Regulierung der Kalziumhomöostase im Blut. Die Nebenschilddrüsen und die Schilddrüse enthalten Rezeptoren, die auf den Kalziumspiegel im Blut reagieren. In diesem Rückkopplungssystem ist der Kalziumspiegel im Blut die Variable, da er sich als Reaktion auf die Umwelt verändert. Veränderungen des Kalziumspiegels im Blut haben folgende Auswirkungen:

  • Wenn der Kalziumspiegel im Blut niedrig ist, schüttet die Nebenschilddrüse Parathormon aus. Dieses Hormon veranlasst Effektororgane (die Nieren und die Knochen) zu reagieren und den Kalziumspiegel zu erhöhen. Die Nieren verhindern, dass Kalzium über den Urin ausgeschieden wird. Osteoklasten in den Knochen bauen Knochengewebe ab und setzen Kalzium frei.
  • Wenn der Kalziumspiegel im Blut hoch ist, setzt die Schilddrüse Kalzitonin frei. Calcitonin veranlasst die Nieren, weniger Kalzium aus dem Filtrat zu resorbieren, so dass überschüssiges Kalzium mit dem Urin aus dem Körper ausgeschieden werden kann. Calcitonin unterdrückt auch die Bildung von aktivem Vitamin D in den Nieren; ohne Vitamin D kann der Dünndarm nicht so viel Kalzium aus der Nahrung aufnehmen. Die Osteoblasten, die durch Calcitonin stimuliert werden, verwenden das Kalzium im Blut, um es in das Knochengewebe einzubauen.

Praxisfragen

Versuchen Sie, auf der Grundlage der obigen Beschreibung der Kalziumhomöostase diese Fragen zu beantworten:

  1. Was ist die Variable?
  2. Was ist der Rezeptor?
  3. Was ist die Schaltzentrale?
  4. Was ist der Effektor?
  1. Urin
  2. endokrines System
  3. Parathormon oder Calcitonin
  4. Kalziumspiegel
Hinweis anzeigen

Hier ist die Rückkopplungsschleife geschlossen:

Antworten anzeigen

  1. Option d ist richtig: Kalzium ist die Variable. Ein angemessener Kalziumspiegel ist für viele Körperfunktionen wichtig.
  2. Option b ist richtig: Das endokrine System ist der Rezeptor. Das endokrine System regelt viele Dinge.
  3. Option b ist richtig: Das endokrine System ist die Schaltzentrale. Das endokrine System kann den Kalziumspiegel sowohl messen als auch regulieren. Das Parathormon und das Calcitonin sind die Effektoren.
  4. Option c ist richtig: Das Parathormon und das Calcitonin sind die Effektoren; sie verändern die Funktion der Nieren und der Knochen, um die Calciumhomöostase aufrechtzuerhalten.

Ein Kalziumungleichgewicht im Blut kann zu Krankheiten oder sogar zum Tod führen. Unter Hypokalzämie versteht man einen niedrigen Kalziumspiegel im Blut. Zu den Anzeichen einer Hypokalzämie gehören Muskelkrämpfe und Herzfehlfunktionen. Von Hyperkalzämie spricht man, wenn der Kalziumspiegel im Blut höher als normal ist. Hyperkalzämie kann auch zu Herzfehlfunktionen, Muskelschwäche und Nierensteinen führen.

Praxisfrage

Welche(s) Problem(e) ist/sind mit einer Störung der Kalziumhomöostase verbunden?

  1. Herzerkrankungen
  2. Knochenerkrankungen
  3. beides
  4. keines von beiden
Antwort anzeigen

Option c ist richtig. Das Herz ist oft von großen kurzfristigen Kalziumveränderungen betroffen, und die Knochen sind oft von kleinen langfristigen Kalziumveränderungen betroffen. Eine Störung der Kalziumhomöostase kann auch die Muskelfunktion beeinträchtigen und zur Bildung von Nierensteinen führen.

Schauen Sie sich dieses Video für eine weitere Diskussion über Homöostase und Organsysteme an:

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