In questa lezione, così come nella precedente e nella successiva, affronto aree della biologia in cui sono davvero debole: origine della vita, diversità della vita e tassonomia/sistematica. Queste sono anche aree in cui ci sono stati molti cambiamenti di recente (spesso non ancora incorporati nei libri di testo), ed è improbabile che io sia aggiornato, quindi per favore aiutatemi a portare queste lezioni su standard…. Questo post è stato originariamente scritto nel 2006 e ripubblicato alcune volte, incluso nel 2010.
Come forse sapete, insegno BIO101 (e anche il laboratorio BIO102) a studenti non tradizionali in un programma di educazione per adulti da circa dodici anni. Di tanto in tanto mi soffermo pubblicamente sul blog (vedi questo, questo, questo, questo, questo, questo e questo per alcuni brevi post su vari aspetti di esso – dall’uso di video, all’uso di un blog di classe, all’importanza di Open Access in modo che gli studenti possano leggere la letteratura primaria). La qualità degli studenti in questo programma è aumentata costantemente nel corso degli anni, ma sono ancora molto limitato nel tempo: Ho otto incontri di 4 ore con gli studenti in otto settimane. In questo periodo devo insegnare loro tutta la biologia di cui hanno bisogno per le loro specializzazioni non scientifiche, oltre a lasciare abbastanza tempo per ogni studente per fare una presentazione (sulla scienza della loro pianta o animale preferito) e per due esami. Così devo ridurre le lezioni all’osso, e sperare che quell’osso sia ciò che i non laureati in scienze hanno davvero bisogno di sapere: concetti piuttosto che fatti, relazioni con il resto della loro vita piuttosto che relazioni con le altre scienze. Così seguo le mie lezioni con video e discussioni in classe, e i loro compiti a casa consistono nel trovare video o articoli di biologia interessanti e pubblicare i link sul blog della classe perché tutti li vedano. Un paio di volte ho usato la malaria come un filo che collegava tutti gli argomenti – dalla biologia cellulare all’ecologia alla fisiologia all’evoluzione. Penso che abbia funzionato bene, ma è difficile da fare. Scrivono anche un documento finale su qualche aspetto della fisiologia.
Un altro nuovo sviluppo è che l’amministrazione ha capito che la maggior parte dei docenti sono stati con la scuola per molti anni. Abbiamo esperienza, e apparentemente sappiamo cosa stiamo facendo. Così recentemente ci hanno dato molta più libertà di progettare il nostro syllabus invece di seguirne uno predefinito, purché gli obiettivi finali della classe rimangano gli stessi. Non sono esattamente sicura di quando insegnerò di nuovo le lezioni di BIO101 (fine autunno, primavera?) ma voglio iniziare a ripensare la mia classe in anticipo. Sono anche preoccupato che, dal momento che non sto facendo attivamente ricerca in laboratorio e quindi non sto seguendo la letteratura così da vicino, alcune delle cose che insegno siano ormai superate. Non che qualcuno possa stare al passo con tutti i progressi in tutte le aree della Biologia, che è così vasta, ma almeno i grandi aggiornamenti che riguardano l’insegnamento dei corsi introduttivi sono cose che devo sapere. E quale modo migliore del crowdsourcing! Quindi, nel corso delle nuove settimane, ripubblicherò i miei vecchi appunti delle lezioni (si noti che sono solo introduzioni – discussioni e video ecc. li seguono in classe) e vi chiederò di verificare i fatti. Se ho sbagliato qualcosa o qualcosa non è aggiornato, fatemelo sapere (ma non spingete solo la vostra ipotesi preferita se una questione non è ancora risolta – datemi invece l’intera spiegazione della controversia). Se qualcosa manca in modo evidente, fatemelo sapere. Se qualcosa può essere detto in un linguaggio più carino – modificate le mie frasi. Se siete a conoscenza di immagini, articoli, blog-post, video, podcast, visualizzazioni, animazioni, giochi, ecc. che possono essere usati per spiegare questi concetti di base, fatemelo sapere. E alla fine, una volta che abbiamo fatto questo con tutte le lezioni, discutiamo il programma generale – c’è un modo migliore per organizzare tutto questo materiale per una classe così veloce.
L’anatomia è la sottodisciplina della biologia che studia la struttura del corpo. Descrive (ed etichetta in latino) la morfologia del corpo: forma, dimensione, colore e posizione delle varie parti del corpo, con particolare attenzione agli organi interni, come visibili ad occhio nudo. L’istologia è un sottoinsieme dell’anatomia che descrive ciò che può essere visto solo al microscopio: come le cellule sono organizzate in tessuti e i tessuti in organi. L’embriologia (classica) descrive il modo in cui i tessuti e gli organi cambiano la loro forma, dimensione, colore e posizione durante lo sviluppo.
L’anatomia fornisce la mappa e gli strumenti per lo studio della funzione degli organi nel corpo. Descrive (ma non spiega) la struttura del corpo. La fisiologia descrive ulteriormente come funziona il corpo, mentre la biologia evolutiva fornisce la spiegazione della struttura e della funzione.
Mentre i dettagli dell’anatomia umana sono essenziali nella formazione di medici e infermieri (e l’anatomia animale per i veterinari), noi non abbiamo tempo, né abbiamo bisogno di prestare troppa attenzione ai dettagli anatomici. Riprenderemo l’anatomia rilevante quando parleremo della funzione degli organi: la fisiologia.
Ci sono tradizionalmente due modi di studiare (e insegnare) la fisiologia. Il primo approccio è medico/biochimico. Il corpo è suddiviso in sistemi di organi (ad esempio, respiratorio, digestivo, circolatorio, ecc.) e ogni sistema è studiato separatamente, iniziando con la fisiologia dell’intero organismo e scendendo gradualmente a livello di organi, tessuti, cellule e molecole, per finire con la biochimica della funzione fisiologica. Si studia solo il corpo umano. Spesso, le patologie e i disturbi sono usati per illustrare come funzionano gli organi – proprio come riparare il motore di un’auto sostituendo un pezzo rotto ci aiuta a capire come funziona normalmente il motore, così studiare le malattie ci aiuta a capire come funziona il corpo umano sano.
L’altro approccio è quello ecologico/energetico. Le funzioni fisiologiche sono divise non per sistema di organi, ma per il problema – imposto dall’ambiente – che il corpo deve risolvere per sopravvivere e riprodursi, per esempio, il problema della termoregolazione (temperatura corporea), osmoregolazione (equilibrio sale/acqua), locomozione (movimento), risposta allo stress, ecc. Un aspetto importante di questo approccio è lo studio del modo in cui il corpo utilizza l’energia: la soluzione è energeticamente ottimale? Gli individui che hanno risolto un problema con un meccanismo fisiologico più efficiente dal punto di vista energetico saranno favoriti dalla selezione naturale – quindi questo approccio è anche profondamente radicato in un contesto evolutivo. Infine, questo approccio è molto comparativo – lo studio di animali che vivono in ambienti particolarmente insoliti o difficili ci aiuta a capire l’origine e l’evoluzione dei meccanismi fisiologici sia negli esseri umani che in altri animali.
Il libro di testo è insolitamente buono (per un testo di biologia introduttivo) nel cercare di collegare e combinare entrambi gli approcci. Sfortunatamente, non abbiamo abbastanza tempo per coprire tutti i sistemi e tutti i problemi in dettaglio, quindi ci atterremo al primo approccio medico e copriremo solo alcuni dei sistemi del corpo umano, ma vi invito a leggere i capitoli pertinenti del libro di testo per capire anche gli aspetti ecologici ed evolutivi della fisiologia (per non parlare di alcuni esempi davvero interessanti di risoluzione dei problemi da parte dei corpi animali). Suggerimento: usate le domande del “Self Test” alla fine di ogni capitolo e se rispondete correttamente, siete pronti per l’esame.
Iniziamo guardando un paio di importanti principi di base che riguardano tutta la fisiologia. Uno di questi principi è quello della scalarità, per il quale dovreste leggere la dispensa che discuteremo in classe la prossima volta. Il secondo principio importante in fisiologia è il fenomeno dei cicli di feedback: sia quelli negativi che quelli positivi.
Il ciclo di feedback negativo funziona in un modo molto simile al grafico che abbiamo disegnato quando abbiamo parlato del comportamento. Il corpo ha un sensore che controlla lo stato del corpo – l’ambiente interno (al contrario dell’ambiente esterno di cui abbiamo parlato quando abbiamo discusso il comportamento), ad esempio, i livelli di ossigeno e anidride carbonica nel sangue, la pressione sanguigna, la tensione nei muscoli, ecc. Se qualcosa nell’ambiente interno cambia dai valori normali e ottimali, il sensore informa l’integratore (di solito il sistema nervoso) che avvia l’azione (tramite un effettore) per riportare il corpo al suo stato normale.
Così, un evento A porta alla risposta B che porta a contrastare ed eliminare l’evento A. Quasi ogni funzione nel corpo opera come un ciclo di feedback negativo. Per esempio, se un ormone viene secreto, insieme all’effetto funzionale di quell’ormone, ci sarà anche l’innesco di un ciclo di feedback negativo che fermerà l’ulteriore secrezione di quell’ormone.
Ci sono poche funzioni nel corpo che seguono un modello diverso – il ciclo di feedback positivo. Lì, un evento A porta alla risposta B che porta alla reiniziazione e all’intensificazione dell’evento A che porta a una risposta B più forte… e così via, fino a quando una soglia è raggiunta o l’obiettivo finale è raggiunto, quando tutto torna bruscamente alla normalità.
Daremo un’occhiata a un esempio del ciclo di feedback positivo che avviene nel sistema nervoso la prossima settimana. Per ora, elenchiamo alcuni altri notevoli cicli di feedback positivo negli esseri umani.
In primo luogo, il meccanismo di coagulazione del sangue è una cascata di reazioni biochimiche che opera secondo questo principio. Una lesione stimola la produzione di una molecola che innesca la produzione di un’altra molecola che innesca la produzione di un’altra molecola così come la produzione di più della prima molecola, e così via, fino a quando la lesione è completamente chiusa.
Il parto è un altro esempio di ciclo di feedback positivo. Quando il bambino è pronto ad uscire (e non c’è modo di fermarlo a questo punto!), rilascia un ormone che innesca la prima contrazione dell’utero. La contrazione dell’utero spinge il bambino un po’ fuori. Questo movimento del bambino allunga la parete dell’utero. La parete dell’utero contiene recettori di stiramento che inviano segnali al cervello. In risposta al segnale, il cervello (in realtà la parte posteriore della ghiandola pituitaria, che è un’escrescenza del cervello) rilascia l’ormone ossitocina. L’ossitocina entra nel flusso sanguigno e raggiunge l’utero innescando la contrazione successiva che, a sua volta, muove il bambino che allunga ulteriormente la parete dell’utero, il che si traduce in un ulteriore rilascio di ossitocina… e così via, fino a quando il bambino viene espulso, quando tutto torna alla normalità.
Il prossimo esempio del ciclo di feedback positivo è anche legato ai bambini – l’allattamento. Quando il bambino ha fame, la madre porta la sua bocca al capezzolo del seno. Quando il bambino si attacca al capezzolo e cerca di succhiare, questo stimola i recettori nel capezzolo che avvisano il cervello. Il cervello rilascia l’ormone ossitocina dalla ghiandola pituitaria posteriore. L’ossitocina entra nel flusso sanguigno e stimola la ghiandola mammaria a rilasciare il latte (non a sintetizzare il latte – è già immagazzinato nei seni). Il rilascio di latte al capezzolo stimola il bambino a succhiare con forza, il che stimola i recettori nel capezzolo ancora di più, così c’è ancora più ossitocina rilasciata dall’ipofisi e ancora più latte viene rilasciato dalla ghiandola mammaria, e così via, fino a quando il bambino è sazio e si stacca dal seno, quando tutto torna alla normalità.
Il prossimo esempio del ciclo di feedback positivo è anche legato ai bambini, ma nove mesi prima. La copulazione – sì, fare sesso – è un esempio di ciclo di feedback positivo, sia nelle femmine che nei maschi. La stimolazione iniziale dei genitali stimola i recettori tattili che avvisano il cervello il quale, a sua volta, stimola la continuazione (e la graduale accelerazione) del movimento, che fornisce ulteriore stimolazione tattile, e così via, fino all’orgasmo, dopo il quale tutto torna alla normalità (nonostante il bagliore successivo).
L’ultimo esempio si applica anche alle regioni inferiori del corpo. Anche la minzione è un ciclo di feedback positivo. La parete della vescica urinaria è costruita in modo tale che ci sono diversi strati di cellule. Quando la vescica si riempie, la parete si allunga e queste cellule si spostano finché la parete non è spessa solo una cellula. A questo punto, la minzione è inevitabile (non può essere fermata dal controllo volontario). L’inizio della minzione fa ripartire il movimento delle cellule dallo stato monostrato a quello multistrato. Questo contrae ulteriormente la vescica che spinge l’urina fuori ancora di più, che contrae ancora di più la parete della vescica, e così via fino a quando la vescica è di nuovo completamente vuota e tutto torna alla normalità.
Il concetto di cicli di feedback è essenziale per la comprensione del principio di omeostasi. I meccanismi omeostatici assicurano che l’ambiente interno rimanga costante e che tutti i parametri siano mantenuti ai loro livelli ottimali (es. temperatura, pH, equilibrio sale/acqua, ecc.) nel tempo. Se un cambiamento nell’ambiente (ad esempio, l’esposizione al caldo o al freddo) provoca il cambiamento della temperatura interna del corpo, questo viene percepito dai termorecettori nel corpo. Questo innesca meccanismi correttivi: se il corpo è surriscaldato, i capillari della pelle si espandono e irradiano calore e la ghiandola sudorifera rilascia sudore; se il corpo è troppo freddo, i capillari della pelle si contraggono, i muscoli iniziano a tremare, i peli si alzano (pelle d’oca), e gli ormoni tiroidei vengono rilasciati, con conseguente apertura dei pori nelle membrane dei mitocondri nei muscoli, riducendo così l’efficienza della scomposizione del glucosio in acqua e anidride carbonica, producendo così calore in eccesso. In entrambi i casi, la temperatura del corpo sarà riportata al suo livello ottimale (circa 37 gradi Celsius), che è chiamato il set-point della temperatura corporea. Ogni aspetto dell’ambiente interno ha un proprio set-point che è difeso da meccanismi omeostatici.
Anche se è essenzialmente corretto, c’è un problema con il concetto di omeostasi. Uno dei problemi con il termine “omeostasi” è linguistico: il termine stesso omeostasi è fuorviante. “Homeo” significa “simile, uguale” e “stasi” significa “stabilità”. Così, la parola omeostasi (coniata da Walter Cannon all’inizio del XX secolo) suggerisce una costanza forte e assoluta. Immaginate che vi sia stato detto di disegnare una rappresentazione grafica del concetto di omeostasi in 10 secondi. Senza tempo sufficiente per pensare, probabilmente disegnereste qualcosa come questo:
La caratteristica principale di questo grafico è che il set-point è costante nel tempo. Ma non è così che funziona nel mondo reale. Il grafico sopra è corretto solo se la scala temporale (sull’asse X) va da secondi a minuti. Se si espande a ore, giorni o anni, il grafico sarebbe errato – la linea non sarebbe più dritta e orizzontale. Il set point cambia in modo prevedibile e ben controllato. Per esempio, il set-point per i livelli di testosterone nel sangue nei maschi umani nel corso della vita può apparire come questo:
Questo sarebbe un esempio di controllo evolutivo di un set-point. In ogni momento, quel set-point è difeso da meccanismi omeostatici, ma il valore del set-point è esso stesso controllato da altri processi fisiologici. Un altro esempio di cambiamento controllato di un set-point può apparire così:
Questo sarebbe un esempio di controllo oscillatorio di un set-point. All’inizio degli anni ’80, Nicholas Mrosovsky ha coniato un nuovo termine per sostituire “omeostasi” e specificatamente per denotare i cambiamenti controllati dei set-point di tutti i valori biochimici, fisiologici e comportamentali – la reostasi.
Quasi ogni aspetto della fisiologia (e del comportamento) mostra la reostasi, sia di sviluppo che oscillatoria (ritmi giornalieri e/o annuali). Alcune eccezioni degne di nota sono il pH del sangue (che deve essere mantenuto entro un intervallo molto stretto 7,35-7,45) e i livelli ematici di calcio. Se il pH o i livelli di calcio si allontanano troppo dal valore ottimale, le cellule del corpo (in particolare le cellule nervose, i muscoli e le cellule del cuore) non possono funzionare correttamente e il corpo è in pericolo di morte immediata.
Letture aggiuntive:
‘La medicina ha bisogno di evoluzione’ di Nesse, Stearns e Omenn
Precedentemente in questa serie:
BIO101 – Biologia e il metodo scientifico
BIO101 – Struttura cellulare
BIO101 – Sintesi proteica: Trascrizione e traduzione
BIO101: Interazioni cellula-cellula
BIO101 – Da una cellula a due: divisione cellulare e replicazione del DNA
BIO101 – Da due cellule a molte: Differenziazione cellulare e sviluppo embrionale
BIO101 – Da geni a tratti: Come il genotipo influenza il fenotipo
BIO101 – Dai geni alle specie: A Primer on Evolution
BIO101 – What Creatures Do: Il comportamento degli animali
BIO101 – Organismi nel tempo e nello spazio: Ecologia
BIO101 – Origine della diversità biologica
BIO101 – Evoluzione della diversità biologica
BIO101 – Diversità biologica attuale