Tällä luennolla, kuten myös edellisellä ja seuraavalla, käsittelen biologian osa-alueita, joilla olen todella heikko: elämän synty, elämän monimuotoisuus ja taksonomia/systeemisyys. Nämä ovat myös alueita, joilla on viime aikoina tapahtunut paljon muutoksia (joita ei useinkaan ole vielä sisällytetty oppikirjoihin), enkä todennäköisesti ole ajan tasalla, joten auttakaa minua saamaan nämä luennot ajan tasalle….. Tämä viesti on alun perin kirjoitettu vuonna 2006, ja se on julkaistu uudelleen muutaman kerran, muun muassa vuonna 2010.
Kuten ehkä tiedätte, olen opettanut BIO101-luentoa (ja myös BIO102-laboratoriota) ei-perinteisille aikuisopiskelijoille aikuiskoulutusohjelmassa jo noin kahdentoista vuoden ajan. Aina silloin tällöin pohdiskelen sitä julkisesti blogissa (katso tästä, tästä, tästä, tästä, tästä, tästä ja tästä muutamia lyhyitä postauksia eri näkökohdista – videoiden käytöstä, luokkahuoneblogin käytöstä ja Open Accessin tärkeydestä, jotta opiskelijat voivat lukea ensisijaista kirjallisuutta). Opiskelijoiden laatu tässä ohjelmassa on noussut tasaisesti vuosien varrella, mutta aikani on edelleen hyvin rajallinen: Minulla on kahdeksan nelituntista tapaamista opiskelijoiden kanssa kahdeksan viikon aikana. Tänä aikana minun on opetettava heille kaikki biologia, jota he tarvitsevat muussa kuin luonnontieteellisessä pääaineessa, ja jätettävä jokaiselle opiskelijalle riittävästi aikaa esitelmän pitämiseen (suosikkikasvinsa ja -eläimensä tieteestä) sekä kahteen tenttiin. Minun on siis riisuttava luennot pelkistetyiksi ja toivottava, että nämä pelkistetyt luennot ovat sitä, mitä muiden kuin luonnontieteiden pääaineopiskelijoiden on todella tiedettävä: käsitteitä pikemminkin kuin faktoja, suhdetta muuhun elämäänsä pikemminkin kuin suhdetta muihin luonnontieteisiin. Niinpä luentojen jälkeen käytän videoita ja luokkahuonekeskusteluja, ja heidän kotitehtävänään on etsiä hienoja biologiavideoita tai -artikkeleita ja julkaista linkit luokkahuoneblogissa kaikkien nähtävillä. Pari kertaa olen käyttänyt malariaa johtolankana, joka yhdistää kaikki aiheet – solubiologiasta ekologiaan, fysiologiaan ja evoluutioon. Mielestäni se toimi hyvin, mutta sitä on vaikea toteuttaa. He kirjoittavat myös lopputyön jostain fysiologian osa-alueesta.
Toinen uusi kehitysaskel on se, että hallinto on tajunnut, että suurin osa opettajista on ollut koulussa monta vuotta. Olemme kokeneita, ja ilmeisesti tiedämme, mitä teemme. Niinpä he antoivat meille hiljattain paljon enemmän vapautta suunnitella oma opetussuunnitelmamme sen sijaan, että noudattaisimme ennalta määriteltyä opetussuunnitelmaa, kunhan kurssin perimmäiset tavoitteet pysyvät samoina. En ole aivan varma, milloin opetan taas BIO101-luentoja (myöhään syksyllä, keväällä?), mutta haluan alkaa miettiä luentoani uudelleen ajoissa. Olen myös huolissani siitä, että koska en tee aktiivisesti tutkimusta laboratoriossa enkä näin ollen seuraa kirjallisuutta yhtä tarkasti, jotkut opettamani asiat ovat nyt vanhentuneita. Ei sillä, että kukaan voisi mitenkään pysyä perässä kaikissa edistysaskelissa kaikilla biologian osa-alueilla, jotka ovat niin valtavia, mutta ainakin suuret päivitykset, jotka vaikuttavat johdantokurssien opetukseen, ovat asioita, jotka minun on tiedettävä.
Minun on saatava kiinni ja päivitettävä luentomonisteeni. Ja mikä olisikaan parempi tapa kuin joukkoistaminen! Julkaisen siis uusien viikkojen aikana uudelleen vanhat luentomonisteeni (huomaa, että ne ovat vain introja – keskustelut ja videot jne. seuraavat niitä luokkahuoneessa) ja pyydän teitä tarkistamaan faktat. Jos olen ymmärtänyt jotakin väärin tai jokin on vanhentunut, kerro minulle (mutta älä tyrkytä vain omaa suosikkihypoteesiasi, jos jokin kysymys on vielä ratkaisematta – anna sen sijaan koko kiistan selitys). Jos jotain puuttuu räikeästi, kerro minulle. Jos jotain voidaan sanoa kauniimmalla kielellä – muokkaa lauseitani. Jos olet tietoinen hienoista kuvista, artikkeleista, blogikirjoituksista, videoista, podcasteista, visualisoinneista, animaatioista, peleistä jne., joita voidaan käyttää näiden peruskäsitteiden selittämiseen, kerro minulle. Ja lopuksi, kun olemme tehneet tämän kaikkien luentojen kanssa, keskustellaan yleisestä opetussuunnitelmasta – onko olemassa parempaa tapaa järjestää kaikki tämä materiaali näin nopeatempoiselle kurssille.
Anatomia on biologian osa-alue, joka tutkii kehon rakennetta. Se kuvaa (ja merkitsee latinaksi) kehon morfologiaa: kehon eri osien muotoa, kokoa, väriä ja asentoa, kiinnittäen erityistä huomiota paljain silmin näkyviin sisäelimiin. Histologia on anatomian osa-alue, joka kuvaa sitä, mitä voidaan nähdä vain mikroskoopilla: miten solut järjestäytyvät kudoksiksi ja kudokset elimiksi. (Klassinen) embryologia kuvaa sitä, miten kudokset ja elimet muuttavat muotoaan, kokoaan, väriään ja asentoaan kehityksen aikana.
Anatomia tarjoaa kartan ja välineet elinten toiminnan tutkimiseen kehossa. Se kuvaa (mutta ei selitä) kehon rakennetta. Fysiologia kuvaa edelleen, miten elimistö toimii, kun taas evoluutiobiologia tarjoaa selityksen rakenteelle ja toiminnalle.
Vaikka ihmisen anatomian yksityiskohdat ovat olennaisia lääkäreiden ja sairaanhoitajien koulutuksessa (ja eläinten anatomia eläinlääkäreille), meillä ei ole aikaa, eikä meidän tarvitse kiinnittää liikaa huomiota hienoihin anatomisiin yksityiskohtiin. Palaamme asiaan kuuluvaan anatomiaan, kun keskustelemme elinten toiminnasta: fysiologiasta.
Perinteisesti fysiologiaa opiskellaan (ja opetetaan) kahdella tavalla. Ensimmäinen lähestymistapa on lääketieteellinen/biokemiallinen. Keho jaetaan elinjärjestelmiin (esim. hengitys-, ruoansulatus-, verenkierto- ja verenkiertoelimistö jne.) ja kutakin järjestelmää tutkitaan erikseen aloittaen koko elimistön fysiologiasta ja edeten vähitellen elinten, kudosten, solujen ja molekyylien tasolle ja päätyen fysiologisen toiminnan biokemiaan. Vain ihmiskehoa tutkitaan. Usein patologioita ja häiriöitä käytetään havainnollistamaan elinten toimintaa – aivan kuten auton moottorin korjaaminen vaihtamalla rikkinäinen osa auttaa meitä ymmärtämään, miten moottori normaalisti toimii, niin sairauksien tutkiminen auttaa meitä ymmärtämään, miten terve ihmiskeho toimii.
Toinen lähestymistapa on ekologinen/energinen. Fysiologisia toimintoja ei jaeta elinjärjestelmien mukaan vaan sen – ympäristön asettaman – ongelman mukaan, joka elimistön on ratkaistava selviytyäkseen ja lisääntyäkseen, esim. termoregulaation (ruumiinlämpö), osmoregulaation (suola- ja vesitasapaino), lokomootion (liikkuminen), stressireaktion jne. ongelma, ja kukin ongelma hyödyntää useita elinjärjestelmiä. Tärkeä osa tätä lähestymistapaa on elimistön energiankäytön tutkiminen: onko ratkaisu energeettisesti optimaalinen? Luonnonvalinta suosii yksilöitä, jotka ovat ratkaisseet ongelman energiatehokkaammalla fysiologisella mekanismilla – näin ollen tämä lähestymistapa on myös syvällä evoluution kontekstissa. Lopuksi tämä lähestymistapa on hyvin vertaileva – sellaisten eläinten tutkiminen, jotka elävät erityisen epätavallisissa tai ankarissa ympäristöissä, auttaa meitä ymmärtämään fysiologisten mekanismien alkuperää ja evoluutiota niin ihmisissä kuin muissakin eläimissä.
Lukukirja on epätavallisen hyvä (biologian johdantokirjaksi) yrittäessään silloittaa ja yhdistää molemmat lähestymistavat. Valitettavasti meillä ei ole tarpeeksi aikaa käsitellä kaikkia järjestelmiä ja kaikkia ongelmia yksityiskohtaisesti, joten pitäydymme ensimmäisessä, lääketieteellisessä lähestymistavassa ja käsittelemme vain muutamia ihmiskehon järjestelmiä, mutta kehotan teitä lukemaan oppikirjan asiaankuuluvat luvut ymmärtääksenne myös fysiologian ekologisia ja evoluutionäkökohtia (puhumattakaan muutamista todella hienoista esimerkeistä eläinkehojen ongelmanratkaisusta). Vinkki: käytä jokaisen luvun lopussa olevia ”Itsetesti”-kysymyksiä, ja jos vastaat niihin oikein, olet valmis tenttiin.
Aloitetaan tarkastelemalla paria tärkeää perusperiaatetta, jotka koskevat koko fysiologiaa. Yksi tällainen periaate on skaalautuminen, jota varten sinun kannattaa lukea käsiohjelma, josta keskustelemme tunnilla ensi kerralla. Toinen tärkeä fysiologian periaate on takaisinkytkentäilmiö: sekä negatiivinen että positiivinen takaisinkytkentä.
Negatiivinen takaisinkytkentäilmiö toimii hyvin samankaltaisesti kuin kuvaaja, jonka piirsimme, kun keskustelimme käyttäytymisestä. Kehossa on anturi, joka valvoo kehon tilaa – sisäistä ympäristöä (toisin kuin ulkoinen ympäristö, josta puhuimme käyttäytymisestä keskustellessamme), esim. veren happi- ja hiilidioksidipitoisuuksia, verenpainetta, lihasten jännitystä jne. Jos jokin sisäisessä ympäristössä muuttuu normaaleista, optimaalisista arvoista, sensori ilmoittaa siitä integraattorille (yleensä hermostolle), joka käynnistää toiminnan (efektorin kautta) palauttaakseen kehon takaisin normaaliin tilaansa.
Tapahtuma A johtaa siis vasteeseen B, joka johtaa tapahtuman A kumoamiseen ja poistamiseen. Lähes kaikki kehon toiminnot toimivat negatiivisen takaisinkytkentäsilmukan tavoin. Jos esimerkiksi erittyy hormoni, kyseisen hormonin toiminnallisen vaikutuksen ohella käynnistyy myös negatiivisen palautesilmukan laukaisu, joka pysäyttää kyseisen hormonin lisäerittymisen.
Kehossa on hyvin vähän toimintoja, jotka noudattavat toisenlaista kaavaa – positiivista palautesilmukkaa. Siinä tapahtuma A johtaa vasteeseen B, joka johtaa tapahtuman A uudelleen käynnistymiseen ja voimistumiseen, mikä johtaa voimakkaampaan vasteeseen B… ja niin edelleen, kunnes saavutetaan kynnysarvo tai saavutetaan lopullinen tavoite, jolloin kaikki palaa äkillisesti takaisin normaaliksi.
Tarkastelemme ensi viikolla esimerkkiä positiivisesta takaisinkytkentäsilmukasta, joka tapahtuu hermostossa. Luettelemme nyt muutamia muita merkittäviä positiivisia takaisinkytkentöjä ihmisessä.
Ensinnäkin veren hyytymismekanismi on biokemiallisten reaktioiden kaskadi, joka toimii tämän periaatteen mukaisesti. Vamma stimuloi erään molekyylin tuotantoa, joka käynnistää toisen molekyylin tuotannon, joka käynnistää toisen molekyylin tuotannon sekä lisää ensimmäisen molekyylin tuotantoa, ja niin edelleen, kunnes vamma on täysin sulkeutunut.
Synnytys on toinen esimerkki positiivisesta takaisinkytkennästä. Kun vauva on valmis lähtemään ulos (eikä sitä tässä vaiheessa pysäytä mikään!), se vapauttaa hormonia, joka käynnistää kohdun ensimmäisen supistuksen. Kohdun supistuminen työntää vauvaa hieman ulos. Vauvan liike venyttää kohdun seinämää. Kohdun seinämässä on venytysreseptoreita, jotka lähettävät signaaleja aivoihin. Vastauksena signaaliin aivot (itse asiassa aivolisäkkeen takaosa, joka on aivojen ulokkeena) vapauttaa oksitosiinihormonia. Oksitosiini pääsee verenkiertoon ja saavuttaa kohdun laukaisemalla seuraavan supistuksen, joka puolestaan liikuttaa vauvaa, mikä venyttää kohdun seinämää entisestään, mikä taas saa aikaan lisää oksitosiinin vapautumista… ja niin edelleen, kunnes vauva on karkotettu, jolloin kaikki palaa ennalleen.
Jatkuva esimerkki positiivisesta takaisinkytkentäkierrosta liittyy myös vauvoihin – imetykseen. Kun vauvalla on nälkä, äiti tuo suunsa rinnan nännille. Kun vauva tarttuu nänniin ja yrittää imeä, tämä stimuloi nännissä olevia reseptoreita, jotka ilmoittavat asiasta aivoille. Aivot vapauttavat aivolisäkkeestä oksitosiinihormonia. Oksitosiini pääsee verenkiertoon ja stimuloi maitorauhasta maidon vapautumista (ei maidon synteesiä – se on jo varastoitunut rintoihin). Maidon vapautuminen nännissä stimuloi vauvaa aloittamaan voimakkaan imemisen, mikä stimuloi nännissä olevia reseptoreita entisestään, joten aivolisäkkeestä vapautuu vielä enemmän oksitosiinia ja maito vapautuu vielä enemmän maitorauhasesta, ja niin edelleen, kunnes vauva on kylläinen ja irrottautuu rinnasta, jolloin kaikki palaa ennalleen.
Jatkossa seuraava esimerkki positiivisesta takaisinkytkentäkierroksen toiminnasta liittyy niin ikään vauvoihin, mutta yhdeksän kuukautta aikaisemmin. Kopulaatio – kyllä, seksin harrastaminen – on esimerkki positiivisesta takaisinkytkennästä sekä naisilla että miehillä. Sukupuolielinten alkuperäinen stimulaatio stimuloi kosketusreseptoreita, jotka ilmoittavat asiasta aivoille, jotka puolestaan stimuloivat liikkeen jatkamista (ja asteittaista nopeutumista), mikä antaa lisää tuntoärsykettä, ja niin edelleen, aina orgasmiin asti, jonka jälkeen kaikki palaa ennalleen (jälkihoidosta huolimatta).
Viimeinen esimerkki pätee myös vartalon alapuolisiin alueisiin. Micturition (virtsaaminen) on myös positiivinen takaisinkytkentä. Virtsarakon seinämä on rakennettu siten, että siinä on useita solukerroksia. Kun virtsarakko täyttyy, seinämä venyy ja nämä solut liikkuvat, kunnes seinämä on vain yhden solun paksuinen. Tässä vaiheessa virtsaaminen on väistämätöntä (sitä ei voi pysäyttää tahdonalaisella ohjauksella). Virtsaamisen aloittaminen käynnistää solujen siirtymisen takaisin yksikerroksisesta tilasta monikerroksiseen tilaan. Tämä supistaa virtsarakkoa entisestään, mikä pakottaa virtsan ulos entistä enemmän, mikä supistaa virtsarakon seinämää entisestään, ja niin edelleen, kunnes virtsarakko on taas täysin tyhjä ja kaikki palaa normaaliksi.
Palautesilmukoiden käsite on olennainen homeostaasin periaatteen ymmärtämisen kannalta. Homeostaattiset mekanismit varmistavat, että sisäinen ympäristö pysyy vakiona ja kaikki parametrit pysyvät optimaalisella tasollaan (esim. lämpötila, pH, suola- ja vesitasapaino jne.) ajan myötä. Jos ympäristön muutos (esim. altistuminen kuumuudelle tai kylmyydelle) johtaa kehon sisäisen lämpötilan muutokseen, kehon lämpöreseptorit havaitsevat sen. Tämä käynnistää korjausmekanismit: jos keho on ylikuumentunut, ihon kapillaarit laajenevat ja säteilevät lämpöä ja hikirauhaset vapauttavat hikeä; jos keho on liian kylmä, ihon kapillaarit supistuvat, lihakset alkavat vapista, karvat nousevat pystyyn (karvoitus) ja kilpirauhashormonit vapautuvat, mikä johtaa huokosten avautumiseen lihaksissa sijaitsevien mitokondrioiden membraaneissa, mikä vähentää glukoosin hajoamisen tehokkuutta vedeksi ja hiilidioksidiksi, jolloin syntyy ylimääräistä lämpöä. Kummassakin tapauksessa kehon lämpötila palautuu optimaaliselle tasolleen (noin 37 celsiusastetta), jota kutsutaan kehon lämpötilan asetusarvoksi. Jokaisella sisäisen ympäristön osa-alueella on oma asetuspisteensä, jota homeostaattiset mekanismit puolustavat.
Vaikkakin periaatteessa oikein, homeostaasin käsitteeseen liittyy ongelma. Yksi termiin ”homeostaasi” liittyvistä ongelmista on kielellinen: itse termi homeostaasi on harhaanjohtava. ”Homeo” tarkoittaa ’samanlaista, samaa’ ja ”staasi” tarkoittaa ’vakautta’. Siten sana homeostaasi (jonka Walter Cannon keksi 1900-luvun alussa) viittaa vahvaan ja absoluuttiseen pysyvyyteen. Kuvittele, että sinua pyydetään piirtämään graafinen esitys homeostaasin käsitteestä 10 sekunnissa. Ilman riittävää harkinta-aikaa piirtäisit luultavasti jotakin tämän kaltaista:
Tämän kuvaajan tärkein ominaisuus on, että asetusarvo on vakio ajan kuluessa. Näin ei kuitenkaan toimi todellisessa maailmassa. Yllä oleva kuvaaja on oikea vain, jos aikaskaala (X-akselilla) ulottuu vain sekunneista minuutteihin. Jos sitä laajennetaan tunteihin, päiviin tai vuosiin, kuvaaja olisi virheellinen – viiva ei olisi enää suora ja vaakasuora. Asetuspiste muuttuu ennustettavalla ja hyvin hallitulla tavalla. Esimerkiksi testosteronipitoisuuden asetuspiste veressä ihmisuroksilla eliniän aikana voi näyttää tältä:
Tämä olisi esimerkki asetuspisteen kehitysohjauksesta. Jokaisena ajankohtana tuota asetuspistettä puolustetaan homeostaattisilla mekanismeilla, mutta asetuspisteen arvoa itseään ohjaavat muut fysiologiset prosessit. Toinen esimerkki asetuspisteen kontrolloidusta muutoksesta voi näyttää tältä:
Tämä olisi esimerkki asetuspisteen oskilloivasta ohjauksesta. Nicholas Mrosovsky keksi 1980-luvun alussa uuden termin ”homeostaasin” tilalle ja nimenomaan kuvaamaan kaikkien biokemiallisten, fysiologisten ja käyttäytymisarvojen asetuspisteiden hallittuja muutoksia – reostaasi.
Lähes jokaisella fysiologian (ja käyttäytymisen) osa-alueella esiintyy reostaasia, sekä kehityksellistä että oskilloivaa (vuorokausi- ja/tai vuosirytmiä). Joitakin merkittäviä poikkeuksia ovat veren pH (joka on pidettävä hyvin kapealla alueella 7,35-7,45) ja veren kalsiumpitoisuus. Jos pH- tai kalsiumtasot siirtyvät liian kauas optimaalisesta arvosta, elimistön solut (erityisesti hermosolut, lihakset ja sydänsolut) eivät voi toimia kunnolla, ja elimistö on vaarassa kuolla välittömästi.
Lisälukemisto:
’Medicine Needs Evolution’ by Nesse, Stearns and Omenn
Tässä sarjassa aiemmin:
BIO101 – Biologia ja tieteellinen menetelmä
BIO101 – Solun rakenne
BIO101 – Proteiinisynteesi: Transkriptio ja translaatio
BIO101: Solun ja solun vuorovaikutukset
BIO101 – Yhdestä solusta kahteen: Solunjakautuminen ja DNA:n monistuminen
BIO101 – Kahdesta solusta moneen: Solujen erilaistuminen ja alkionkehitys
BIO101 – Geeneistä ominaisuuksiin: Miten genotyyppi vaikuttaa fenotyyppiin
BIO101 – Geeneistä lajeihin: A Primer on Evolution
BIO101 – What Creatures Do: Animal Behavior
BIO101 – Organisms In Time and Space: Ekologia
BIO101 – Biologisen monimuotoisuuden alkuperä
BIO101 – Biologisen monimuotoisuuden evoluutio
BIO101 – Biologisen monimuotoisuuden nykytila
BIO101 – Current Biological Diversity