Ebben az előadásban, valamint az előzőben és a következőben is a biológia azon területeivel foglalkozom, ahol igazán gyenge vagyok: az élet eredete, az élet sokfélesége és a rendszertan/rendszertan. Ezek olyan területek is, ahol az utóbbi időben sok változás történt (gyakran még nem kerültek be a tankönyvekbe), és nem valószínű, hogy naprakész leszek, ezért kérem, segítsen nekem, hogy ezek az előadások naprakészek legyenek….. Ez a bejegyzés eredetileg 2006-ban íródott, és néhányszor, többek között 2010-ben is újra közzétették.
Amint azt talán tudjátok, körülbelül tizenkét éve tanítom a BIO101-et (és a BIO102 laboratóriumot is) nem hagyományos diákoknak egy felnőttképzési program keretében. Időnként nyilvánosan elmélkedem erről a blogon (lásd ezt, ezt, ezt, ezt, ezt, ezt, ezt és ezt néhány rövid bejegyzést ennek különböző aspektusairól – a videók használatától kezdve a tantermi blog használatán át az Open Access fontosságáig, hogy a diákok elolvashassák a primer irodalmat). A diákok minősége ebben a programban az évek során folyamatosan emelkedett, de még mindig nagyon szűkös az időm: Nyolc héten keresztül nyolc négyórás találkozóm van a diákokkal. Ez alatt az idő alatt meg kell tanítanom nekik az összes biológiát, amire szükségük van a nem természettudományos szakokon, emellett elegendő időt kell hagynom minden diáknak egy előadás megtartására (a kedvenc növényük és állatuk tudományáról) és két vizsgára. Így az előadásokat a csontokig kell lecsupaszítanom, és remélni, hogy ezek a csontok azok, amiket a nem természettudományos szakosoknak valóban tudniuk kell: inkább fogalmakat, mint tényszerűségeket, inkább kapcsolatot az életük többi részével, mint kapcsolatot a többi tudományággal. Így az előadásaimat videók és tantermi beszélgetések követik, a házi feladat pedig abból áll, hogy menő biológiai videókat vagy cikkeket kell találniuk, és a linkeket fel kell tenniük az osztálytermi blogra, hogy mindenki láthassa. Néhányszor a maláriát használtam szálként, amely összekötötte az összes témát – a sejtbiológiától az ökológián át az élettanig és az evolúcióig. Szerintem ez jól működött, de nehéz megcsinálni. Egy záródolgozatot is írnak az élettan valamely aspektusáról.
A másik új fejlemény, hogy az igazgatóság felismerte, hogy a tanárok többsége már évek óta az iskolában van. Tapasztaltak vagyunk, és láthatóan tudjuk, mit csinálunk. Így nemrég sokkal nagyobb szabadságot adtak nekünk, hogy az előre meghatározott tanterv követése helyett saját tanmenetünket alakítsuk ki, mindaddig, amíg az óra végső céljai ugyanazok maradnak. Nem tudom pontosan, hogy mikor tanítom újra a BIO101-es előadásokat (késő ősszel, tavasszal?), de szeretném korán elkezdeni újragondolni az órámat. Aggódom amiatt is, hogy mivel nem kutatok aktívan a laborban, és így nem követem olyan szorosan a szakirodalmat, néhány dolog, amit tanítok, már elavult. Nem mintha bárki is lépést tudna tartani az összes fejlődéssel a biológia minden területén, ami olyan hatalmas, de legalább a nagy frissítések, amelyek hatással vannak a bevezető kurzusok oktatására, olyan dolgok, amiket tudnom kell.
Meg kell hoznom a lemaradásomat, és frissítenem kell az előadásjegyzeteimet. És mi lenne jobb módja, mint a crowdsource! Szóval, az új hetekben újra fel fogom tenni a régi előadásjegyzeteimet (megjegyzem, hogy ezek csak bevezetők – az órákon beszélgetések, videók stb. követik őket), és megkérlek titeket, hogy ellenőrizzétek a tényeket. Ha valamit elrontottam, vagy valami elavult, tudassátok velem (de ne csak a saját preferált hipotéziseteket erőltessétek, ha egy kérdés még nem eldöntött – inkább adjátok meg a teljes ellentmondásos magyarázatot). Ha valami kirívóan hiányzik, tudasd velem. Ha valamit szebben is el lehetne mondani – szerkeszd meg a mondataimat. Ha tudsz olyan klassz képekről, cikkekről, blogbejegyzésekről, videókról, podcastokról, vizualizációkról, animációkról, játékokról stb. amelyekkel el lehet magyarázni ezeket az alapfogalmakat – szólj nekem. És a végén, ha ezt az összes előadással megtettük, beszéljük meg az általános tantervet – van-e jobb módja annak, hogy mindezt az anyagot egy ilyen gyors tempójú órára megszervezzük.
Az anatómia a biológia azon részterülete, amely a test felépítését tanulmányozza. Leírja (és latinul felcímkézi) a test morfológiáját: a különböző testrészek alakját, méretét, színét és helyzetét, különös tekintettel a belső szervekre, ahogyan azok szabad szemmel láthatóak. A szövettan az anatómia egy részterülete, amely azt írja le, ami csak mikroszkóp alatt látható: hogyan szerveződnek a sejtek szövetekké, a szövetek pedig szervekké. A (klasszikus) embriológia azt írja le, hogy a szövetek és szervek hogyan változtatják meg alakjukat, méretüket, színüket és helyzetüket a fejlődés során.
Az anatómia adja a térképet és az eszközöket a testben lévő szervek működésének tanulmányozásához. Leírja (de nem magyarázza) a test felépítését. Az élettan tovább írja le a test működését, míg az evolúcióbiológia a szerkezet és a funkció magyarázatát adja.
Míg az emberi anatómia részletei elengedhetetlenek az orvosok és ápolók képzésében (és az állati anatómia az állatorvosok számára), nincs időnk, és nincs is szükségünk arra, hogy túl sok figyelmet fordítsunk a finom anatómiai részletekre. A releváns anatómiát akkor vesszük elő, amikor a szervek működését: az élettant tárgyaljuk.
A fiziológia tanulmányozásának (és tanításának) hagyományosan két módja van. Az első megközelítés az orvosi/biokémiai. A testet szervrendszerekre osztják (pl. légzőrendszer, emésztőrendszer, keringési rendszer stb.), és minden rendszert külön-külön tanulmányoznak, az egész szervezet fiziológiájával kezdve, fokozatosan lemegyünk a szervek, szövetek, sejtek és molekulák szintjére, és az élettani működés biokémiájával fejezzük be. Csak az emberi testet tanulmányozzák. Gyakran a patológiákat és rendellenességeket használják fel a szervek működésének szemléltetésére – ahogyan egy autó motorjának megjavítása egy elromlott alkatrész kicserélésével segít megérteni, hogyan működik normális esetben a motor, úgy a betegségek tanulmányozása segít megérteni, hogyan működik az egészséges emberi szervezet.
A másik megközelítés az ökológiai/energetikai. Az élettani funkciókat nem szervrendszerek szerint osztjuk fel, hanem aszerint a – környezet által előírt – probléma szerint, amelyet a szervezetnek meg kell oldania a túlélés és a szaporodás érdekében, pl. a termoreguláció (testhőmérséklet), az ozmoreguláció (só/víz egyensúly), a lokomóció (mozgás), a stresszválasz stb. problémája, minden probléma több szervrendszert használ. E megközelítés fontos szempontja a szervezet energiafelhasználásának vizsgálata: energetikai szempontból optimális-e a megoldás? Azokat az egyedeket, amelyek egy problémát energiahatékonyabb élettani mechanizmussal oldottak meg, a természetes szelekció előnyben részesíti – így ez a megközelítés mélyen gyökerezik az evolúciós kontextusban is. Végül, ez a megközelítés nagyon összehasonlító – a különösen szokatlan vagy zord környezetben élő állatok tanulmányozása segít megérteni a fiziológiai mechanizmusok eredetét és evolúcióját mind az emberben, mind más állatokban.
A tankönyv szokatlanul jó (egy bevezető biológia tankönyvhöz képest) abban, hogy megpróbálja áthidalni és ötvözni a két megközelítést. Sajnos nincs elég időnk arra, hogy minden rendszerrel és minden problémával részletesen foglalkozzunk, ezért maradunk az első, orvosi megközelítésnél, és csak az emberi test néhány rendszerével foglalkozunk, de arra kérem önöket, hogy olvassák el a tankönyv vonatkozó fejezeteit, hogy megértsék az élettan ökológiai és evolúciós vonatkozásait is (nem beszélve az állati testek problémamegoldásának néhány igazán klassz példájáról). Tipp: használd az egyes fejezetek végén található “Önteszt” kérdéseket, és ha helyesen válaszolsz rájuk, készen állsz a vizsgára.
Kezdésként nézzünk meg néhány fontos alapelvet, amelyek az egész élettanra vonatkoznak. Az egyik ilyen elv a skálázás elve, amelyhez érdemes elolvasni a kézikönyvet, amelyet a következő órán fogunk megbeszélni. A fiziológia második fontos alapelve a visszacsatolási hurok jelensége: a negatív és a pozitív visszacsatolási hurok egyaránt.
A negatív visszacsatolási hurok nagyon hasonlóan működik, mint az a grafikon, amelyet a viselkedés megvitatásakor rajzoltunk. A testnek van egy érzékelője, amely figyeli a test állapotát – a belső környezetet (szemben a külső környezettel, amelyről a viselkedés tárgyalásakor beszéltünk), pl.. a vér oxigén- és széndioxidszintjét, a vérnyomást, az izmok feszültségét stb. Ha a belső környezetben valami megváltozik a normális, optimális értékektől, a szenzor tájékoztatja az Integrátort (általában az idegrendszert), amely (egy Effektoron keresztül) cselekvést indít, hogy a testet visszaállítsa a normális állapotba.
Így egy A esemény B válaszreakcióhoz vezet, amely az A esemény ellensúlyozásához és megszüntetéséhez vezet. A testben szinte minden funkció negatív visszacsatolásként működik. Ha például egy hormon kiválasztódik, akkor a hormon funkcionális hatása mellett egy negatív visszacsatolási hurok is elindul, amely leállítja a hormon további kiválasztását.
A szervezetben nagyon kevés olyan funkció van, amely más mintát követ – a pozitív visszacsatolási hurkot. Ott egy A esemény B válaszreakcióhoz vezet, ami az A esemény újraindulásához és felerősödéséhez vezet, ami egy erősebb B válaszreakcióhoz vezet… és így tovább, amíg el nem érünk egy küszöbértéket vagy el nem érjük a végső célt, amikor minden hirtelen visszatér a normális kerékvágásba.
A jövő héten megnézünk egy példát az idegrendszerben zajló pozitív visszacsatolási hurokra. Egyelőre soroljunk fel néhány más figyelemre méltó pozitív visszacsatolási hurkot az emberben.
Először is, a véralvadási mechanizmus egy olyan biokémiai reakciókból álló kaszkád, amely ezen elv szerint működik. Egy sérülés serkenti egy molekula termelését, amely egy másik molekula termelését váltja ki, amely egy másik molekula termelését váltja ki, valamint az első molekula további termelését, és így tovább, amíg a sérülés teljesen be nem zárul.
A gyermekszülés egy másik példa a pozitív visszacsatolási hurokra. Amikor a baba készen áll arra, hogy kimenjen (és ekkor már nem lehet megállítani!), egy olyan hormont bocsát ki, amely kiváltja a méh első összehúzódását. A méh összehúzódása egy kicsit kitolja a babát. A baba mozgása megnyújtja a méh falát. A méh falában nyúlási receptorok találhatók, amelyek jeleket küldenek az agyba. A jelre válaszul az agy (valójában az agyalapi mirigy hátsó része, amely az agy egyik kinövése) oxitocin hormont bocsát ki. Az oxitocin bekerül a véráramba, és eljut a méhbe, kiváltva a következő összehúzódást, ami viszont megmozgatja a babát, ami tovább feszíti a méh falát, ami újabb oxitocin felszabadulást eredményez… és így tovább, amíg a baba ki nem lökődik, amikor minden visszatér a normális kerékvágásba.
A pozitív visszacsatolás következő példája szintén a babákkal kapcsolatos – a szoptatás. Amikor a csecsemő éhes, az anya a száját a mell mellbimbójához viszi. Amikor a csecsemő rátapad a mellbimbóra és szopni próbál, ez stimulálja a mellbimbóban lévő receptorokat, amelyek értesítik az agyat. Az agy oxitocin hormont szabadít fel a hátsó agyalapi mirigyből. Az oxitocin bekerül a véráramba, és arra serkenti az emlőmirigyet, hogy tejet szabadítson fel (nem pedig arra, hogy tejet szintetizáljon – az már elraktározódott a mellekben). A tej felszabadulása a mellbimbónál arra ösztönzi a babát, hogy erőteljesen szopni kezdjen, ami még jobban stimulálja a mellbimbóban lévő receptorokat, így még több oxitocin szabadul fel az agyalapi mirigyből, és még több tej szabadul fel az emlőmirigyből, és így tovább, amíg a baba jóllakik, és lecsatlakozik a mellről, amikor minden visszatér a normális kerékvágásba.
A pozitív visszacsatolási kör következő példája szintén a babákhoz kapcsolódik, de kilenc hónappal korábban. A kopuláció – igen, a szex – a pozitív visszacsatolási hurok egyik példája, mind a nőstényeknél, mind a hímeknél. A nemi szervek kezdeti ingerlése stimulálja az érintési receptorokat, amelyek értesítik az agyat, amely viszont a mozgás folytatását (és fokozatos felgyorsulását) serkenti, ami további tapintási ingerlést biztosít, és így tovább, egészen az orgazmusig, amely után minden visszatér a normális kerékvágásba (az utófény ellenére).
Az utolsó példa a test alsó régióira is vonatkozik. A vizeletürítés (vizeletürítés) szintén egy pozitív visszacsatolási hurok. A húgyhólyag fala úgy épül fel, hogy több sejtrétegből áll. Ahogy a húgyhólyag megtelik, a fal megnyúlik, és ezek a sejtek addig mozognak, amíg a fal csak egyetlen sejt vastagságú nem lesz. Ezen a ponton a vizelés elkerülhetetlen (akaratlagos kontrollal nem állítható le). A vizelés kezdete elindítja a sejtek visszamozgását az egyrétegű állapotból a többrétegű állapotba. Ez tovább húzza össze a hólyagot, ami még jobban kiszorítja a vizeletet, ami még jobban összehúzza a hólyag falát, és így tovább, amíg a hólyag ismét teljesen ki nem ürül, és minden vissza nem tér a normális kerékvágásba.
A homeosztázis elvének megértéséhez elengedhetetlen a visszacsatolási hurok fogalma. A homeosztatikus mechanizmusok biztosítják, hogy a belső környezet állandó maradjon, és minden paraméter az optimális szinten maradjon (pl.. hőmérséklet, pH, só/víz egyensúly, stb.) az idők folyamán. Ha a környezet változása (pl. hő- vagy hideghatás) a test belső hőmérsékletének változását eredményezi, azt a szervezetben lévő termoreceptorok érzékelik. Ez korrekciós mechanizmusokat indít be: ha a test túlmelegszik, a bőrben lévő hajszálerek kitágulnak és hőt sugároznak, a verejtékmirigyek pedig verejtéket bocsátanak ki; ha a test túl hideg, a bőrben lévő hajszálerek összehúzódnak, az izmok remegni kezdenek, a hajszálak felállnak (libabőr), és a pajzsmirigyhormonok felszabadulnak, ami az izmokban lévő mitokondriumok membránjának pórusainak megnyílását eredményezi, így csökken a glükóz vízzé és szén-dioxiddá történő lebontásának hatékonysága, így felesleges hő termelődik. Akár így, akár úgy, a testhőmérséklet visszaáll az optimális szintre (37 Celsius-fok körülire), amit a testhőmérséklet beállítási pontjának nevezünk. A belső környezet minden egyes aspektusának megvan a saját beállítási pontja, amelyet homeosztatikus mechanizmusok védenek.
Miözben alapvetően helyes, van egy probléma a homeosztázis fogalmával. A “homeosztázis” kifejezéssel kapcsolatos egyik probléma nyelvi: maga a homeosztázis kifejezés félrevezető. A “homeo” jelentése “hasonló, azonos”, a “sztázis” pedig “stabilitást” jelent. Így a homeosztázis szó (amelyet Walter Cannon talált ki a 20. század elején) erős és abszolút állandóságot sugall. Képzelje el, hogy azt a feladatot kapta, hogy 10 másodperc alatt rajzolja meg a homeosztázis fogalmának grafikus ábrázolását. Elegendő gondolkodási idő nélkül valószínűleg valami ilyesmit rajzolnál:
A grafikon fő jellemzője, hogy a beállítási pont időben állandó. A valóságban azonban ez nem így működik. A fenti grafikon csak akkor helyes, ha az időskála (az X tengelyen) csak másodpercektől percekig terjed. Ha órákra, napokra vagy évekre terjesztenénk ki, a grafikon hibás lenne – a vonal már nem lenne egyenes és vízszintes. A beállított pont kiszámítható és jól szabályozható módon változik. Például az emberi férfiak vérében a tesztoszteron szintjének beállítási pontja az élet folyamán így nézhet ki:
Ez egy példa lenne a beállítási pont fejlődési irányítására. Minden egyes időpontban ezt a set-pointot homeosztatikus mechanizmusok védik, de a set-point értéket önmagában más fiziológiai folyamatok szabályozzák. Egy másik példa egy beállítási pont ellenőrzött változására így nézhet ki:
Ez egy példa lenne egy beállítási pont oszcillációs szabályozására. Az 1980-as évek elején Nicholas Mrosovsky a “homeosztázis” helyett egy új kifejezést alkotott, amely kifejezetten az összes biokémiai, fiziológiai és viselkedési érték beállított pontjának kontrollált változását jelöli – a reosztázist.
A fiziológia (és a viselkedés) szinte minden aspektusa mutat reosztázist, mind fejlődési, mind oszcillációs (napi és/vagy éves ritmusok) jelleggel. Néhány figyelemre méltó kivétel a vér pH-ja (amelyet nagyon szűk, 7,35-7,45 közötti tartományban kell tartani) és a vér kalciumszintje. Ha a pH- vagy a kalciumszint túlságosan eltávolodik az optimális értéktől, a test sejtjei (leginkább az idegsejtek, az izmok és a szívsejtek) nem tudnak megfelelően működni, és a szervezetet az azonnali halál veszélye fenyegeti.
Kiegészítő olvasmányok:
‘Medicine Needs Evolution’ by Nesse, Stearns and Omenn
Ezekben a sorozatokban korábban:
BIO101 – Biológia és a tudományos módszer
BIO101 – A sejt felépítése
BIO101 – Fehérjeszintézis: Átírás és transzláció
BIO101: Sejt-sejt kölcsönhatások
BIO101 – Egy sejtből kettő: Sejtosztódás és DNS-replikáció
BIO101 – Két sejtből sok: A sejtdifferenciálódás és az embrionális fejlődés
BIO101 – A génektől a tulajdonságokig:
BIO101 – A génektől a fajokig: Hogyan befolyásolja a genotípus a fenotípust
BIO101 – A génektől a fajokig: A Primer on Evolution
BIO101 – What Creatures Do: Az állatok viselkedése
BIO101 – Szervezetek térben és időben: Ökológia
BIO101 – A biológiai sokféleség eredete
BIO101 – A biológiai sokféleség evolúciója
BIO101 – A biológiai sokféleség jelene