W tym wykładzie, jak również w poprzednim i następnym, zajmuję się obszarami biologii, w których jestem naprawdę słaby: pochodzeniem życia, różnorodnością życia i taksonomią/systematyką. Są to również obszary, w których ostatnio zaszło wiele zmian (często jeszcze nie uwzględnionych w podręcznikach), a ja raczej nie będę na bieżąco, więc proszę o pomoc w dostosowaniu tych wykładów do standardów…. Ten post został pierwotnie napisany w 2006 roku i był publikowany kilka razy, w tym w 2010 roku.
Jak być może wiecie, od około dwunastu lat uczę BIO101 (a także BIO102 Lab) nietradycyjnych studentów w programie edukacji dorosłych. Co jakiś czas rozmyślam o tym publicznie na blogu (zobacz to, to, to, to, to, to, to i to dla kilku krótkich postów o różnych aspektach tego programu – od używania filmów, do używania bloga klasowego, do znaczenia otwartego dostępu, aby studenci mogli czytać literaturę podstawową). Jakość studentów w tym programie stale wzrastała przez lata, ale nadal jestem bardzo ograniczony czasowo: Mam osiem 4-godzinnych spotkań ze studentami w ciągu ośmiu tygodni. W tym czasie muszę nauczyć ich całej biologii, jakiej potrzebują na swoich nienaukowych kierunkach, a także zostawić wystarczająco dużo czasu na prezentację każdego studenta (na temat nauki o jego ulubionej roślinie i zwierzęciu) oraz na dwa egzaminy. Muszę więc rozebrać wykłady do gołej kości i mieć nadzieję, że te gołe kości są tym, co nie-naukowcy naprawdę muszą wiedzieć: koncepcje, a nie fakty, związek z resztą ich życia, a nie związek z innymi naukami. Dlatego po moich wykładach zamieszczam filmy wideo i dyskusje w klasie, a ich praca domowa polega na znalezieniu fajnych filmów lub artykułów z biologii i umieszczeniu linków do nich na klasowym blogu, by wszyscy mogli je zobaczyć. Kilka razy użyłem malarii jako wątku łączącego wszystkie tematy – od biologii komórki, przez ekologię, fizjologię, po ewolucję. Myślę, że to się udało, ale jest to trudne do zrobienia. Piszą również końcową pracę na temat jakiegoś aspektu fizjologii.
Innym nowym osiągnięciem jest to, że administracja zdała sobie sprawę, że większość wydziału była w szkole przez wiele lat. Jesteśmy doświadczeni i najwyraźniej wiemy, co robimy. Tak więc ostatnio dali nam dużo więcej swobody w projektowaniu naszego własnego programu nauczania zamiast podążania za wcześniej ustalonym, tak długo jak ostateczne cele klasy pozostają takie same. Nie jestem dokładnie pewien, kiedy znów będę prowadził wykłady z BIO101 (późną jesienią, wiosną?), ale chcę wcześnie zacząć przemyśliwać moją klasę. Martwię się też, że skoro nie prowadzę aktywnie badań w laboratorium, a więc nie śledzę literatury tak uważnie, to niektóre z rzeczy, których uczę, są już nieaktualne. Nie żeby ktokolwiek mógł nadążyć za wszystkimi postępami we wszystkich dziedzinach biologii, która jest tak ogromna, ale przynajmniej duże aktualizacje, które wpływają na nauczanie kursów wprowadzających, są rzeczami, które muszę wiedzieć.
Muszę nadrobić zaległości i uaktualnić moje notatki z wykładów. A co jest lepszym sposobem niż crowdsource! Tak więc, przez kilka nowych tygodni, będę ponownie zamieszczał moje stare notatki z wykładów (zauważ, że są to tylko wstępy – dyskusje, filmy itp. następują po nich w klasie) i poproszę was o sprawdzenie faktów. Jeśli coś pomyliłem lub coś jest nieaktualne, daj mi znać (ale nie forsuj tylko swojej preferowanej hipotezy, jeśli kwestia nie jest jeszcze rozstrzygnięta – daj mi całe kontrowersyjne wyjaśnienie zamiast tego). Jeśli czegoś rażąco brakuje, daj mi znać. Jeśli coś może być powiedziane ładniejszym językiem – zredaguj moje zdania. Jeśli znasz fajne obrazki, artykuły, blogi, filmy, podcasty, wizualizacje, animacje, gry itp., które mogą być użyte do wyjaśnienia tych podstawowych pojęć, daj mi znać. A na koniec, gdy już to zrobimy ze wszystkimi wykładami, przedyskutujmy ogólny sylabus – czy jest lepszy sposób na zorganizowanie całego tego materiału dla tak szybko rozwijającej się klasy.
Anatomia jest subdyscypliną biologii, która bada strukturę ciała. Opisuje (i etykiety w języku łacińskim) morfologii ciała: kształt, rozmiar, kolor i położenie różnych części ciała, ze szczególnym uwzględnieniem narządów wewnętrznych, jak widać gołym okiem. Histologia jest podzbiorem anatomii, który opisuje to, co można zobaczyć tylko pod mikroskopem: jak komórki są zorganizowane w tkanki, a tkanki w narządy. (Klasyczny) embriologia opisuje sposób tkanki i narządy zmieniają swój kształt, rozmiar, kolor i położenie w trakcie rozwoju.
Anatomy zapewnia mapę i narzędzia do badania funkcji narządów w organizmie. Opisuje (ale nie wyjaśnia) strukturę ciała. Fizjologia dalej opisuje, jak ciało funkcjonuje, podczas gdy biologia ewolucyjna zapewnia wyjaśnienie struktury i funkcji.
Choć szczegóły ludzkiej anatomii są niezbędne w edukacji lekarzy i pielęgniarek (i anatomii zwierząt dla weterynarzy), nie mamy czasu, ani nie musimy płacić zbyt wiele uwagi do drobnych szczegółów anatomicznych. Będziemy podnieść na odpowiedniej anatomii, jak omówić funkcję narządów: fizjologii.
Są tradycyjnie dwa sposoby studiowania (i nauczania) fizjologii. Pierwsze podejście jest medyczne / biochemiczne. Ciało jest podzielone na układy narządów (np. oddechowy, trawienny, krążenia, itp.) i każdy system jest badany oddzielnie, począwszy od fizjologii całego organizmu i stopniowo schodząc do poziomu narządów, tkanek, komórek i cząsteczek, kończąc na biochemii funkcji fizjologicznej. Badane jest tylko ciało ludzkie. Często patologie i zaburzenia są wykorzystywane do zilustrowania, jak narządy działają – tak jak naprawa silnika samochodowego poprzez wymianę zepsutej części pomaga nam zrozumieć, jak silnik normalnie działa, więc studiowanie chorób pomaga nam zrozumieć, jak zdrowe ciało ludzkie działa.
Inne podejście jest ekologiczne / energetyczne. Funkcje fizjologiczne są podzielone nie przez układ narządów, ale przez problem – nałożone przez środowisko – że ciało musi rozwiązać, aby przetrwać i reprodukować, np. problem termoregulacji (temperatura ciała), osmoregulacji (sól / równowaga wody), lokomocji (ruch), reakcja na stres, itp. Ważnym aspektem tego podejścia jest badanie sposobu, w jaki organizm wykorzystuje energię: czy rozwiązanie jest energetycznie optymalne? Osoby, które rozwiązały problem z bardziej energooszczędnym mechanizmem fizjologicznym będą faworyzowane przez dobór naturalny – zatem podejście to jest również głęboko zakorzenione w kontekście ewolucyjnym. Wreszcie, podejście to jest bardzo porównawcze – badanie zwierząt, które żyją w szczególnie niezwykłych lub trudnych środowiskach pomaga nam zrozumieć pochodzenie i ewolucję mechanizmów fizjologicznych zarówno u ludzi, jak i u innych zwierząt.
Podręcznik jest niezwykle dobry (jak na podręcznik do biologii wprowadzającej) w próbach łączenia obu podejść. Niestety, nie mamy wystarczająco dużo czasu, aby szczegółowo omówić wszystkie systemy i wszystkie problemy, więc będziemy trzymać się pierwszego, medycznego podejścia i omówimy tylko kilka systemów ludzkiego ciała, ale zachęcam do przeczytania odpowiednich rozdziałów podręcznika, aby zrozumieć również ekologiczne i ewolucyjne aspekty fizjologii (nie wspominając o kilku naprawdę fajnych przykładach rozwiązywania problemów przez ciała zwierząt). Wskazówka: użyj pytań „Self Test” na końcu każdego rozdziału i jeśli odpowiesz na nie poprawnie, jesteś gotowy do egzaminu.
Zacznijmy od spojrzenia na kilka ważnych podstawowych zasad, które odnoszą się do całej fizjologii. Jedną z nich jest zasada skalowania, którą powinieneś przeczytać w podręczniku, który omówimy następnym razem na zajęciach. Drugą ważną zasadą w fizjologii jest zjawisko pętli sprzężenia zwrotnego: zarówno ujemnego, jak i dodatniego.
Pętla ujemnego sprzężenia zwrotnego działa w sposób bardzo podobny do wykresu, który narysowaliśmy podczas omawiania zachowania. Ciało ma czujnik, który monitoruje stan ciała – środowisko wewnętrzne (w przeciwieństwie do środowiska zewnętrznego, o którym mówiliśmy przy omawianiu zachowania), np. poziom tlenu i dwutlenku węgla we krwi, ciśnienie krwi, napięcie mięśni itp. Jeśli coś w środowisku wewnętrznym zmienia się od normalnych, optymalnych wartości, czujnik informuje Integratora (zwykle układ nerwowy), który inicjuje działanie (poprzez efektor), aby przywrócić organizm do normalnego stanu.
Tak więc, zdarzenie A prowadzi do reakcji B, która prowadzi do przeciwdziałania i eliminacji zdarzenia A. Prawie każda funkcja w organizmie działa jak pętla ujemnego sprzężenia zwrotnego. Na przykład, jeśli hormon jest wydzielany, wraz z funkcjonalnym efektem tego hormonu, nie będzie również spust ujemnego sprzężenia zwrotnego pętli, która zatrzyma dalsze wydzielanie tego hormonu.
Jest bardzo niewiele funkcji w organizmie, które śledzą inny wzór – pętla dodatniego sprzężenia zwrotnego. Tam, wydarzenie A prowadzi do odpowiedzi B, która prowadzi do ponownego zainicjowania i intensyfikacji wydarzenia A, które prowadzi do silniejszej odpowiedzi B… i tak dalej, aż do osiągnięcia progu lub ostatecznego celu, kiedy wszystko gwałtownie wraca do normy.
W przyszłym tygodniu przyjrzymy się przykładowi pętli dodatniego sprzężenia zwrotnego, która ma miejsce w układzie nerwowym. Na razie wymieńmy kilka innych godnych uwagi pętli dodatniego sprzężenia zwrotnego u ludzi.
Po pierwsze, mechanizm krzepnięcia krwi jest kaskadą reakcji biochemicznych, które działają zgodnie z tą zasadą. Uraz stymuluje produkcję cząsteczki, która wyzwala produkcję innej cząsteczki, która wyzwala produkcję innej cząsteczki, jak również produkcję większej ilości pierwszej cząsteczki, i tak dalej, aż do całkowitego zamknięcia urazu.
Poród dziecka jest kolejnym przykładem pętli dodatniego sprzężenia zwrotnego. Kiedy dziecko jest gotowe do wyjścia (i nie ma żadnego zatrzymania go w tym momencie!), uwalnia hormon, który wywołuje pierwszy skurcz macicy. Skurcz macicy wypycha nieco dziecko na zewnątrz. Ten ruch dziecka rozciąga ścianki macicy. Ściana macicy zawiera receptory rozciągania, które wysyłają sygnały do mózgu. W odpowiedzi na ten sygnał, mózg (a właściwie tylna część przysadki mózgowej, która jest wyrostkiem mózgu) uwalnia hormon oksytocynę. Oksytocyna dostaje się do krwiobiegu i dociera do macicy, wywołując kolejny skurcz, który z kolei porusza dziecko, co jeszcze bardziej rozciąga ścianę macicy, co powoduje dalsze uwalnianie oksytocyny… i tak dalej, aż do wydalenia dziecka, kiedy wszystko wraca do normy.
Następny przykład pętli dodatniego sprzężenia zwrotnego jest również związany z niemowlętami – karmienie piersią. Kiedy niemowlę jest głodne, matka zbliża jego usta do sutka piersi. Kiedy dziecko przysuwa się do sutka i próbuje ssać, pobudza to receptory w sutku, które powiadamiają mózg. Mózg uwalnia hormon oksytocynę z tylnej części przysadki mózgowej. Oksytocyna przedostaje się do krwiobiegu i stymuluje gruczoł sutkowy do wydzielania mleka (nie do syntezy mleka – jest ono już zmagazynowane w piersiach). Uwolnienie mleka w sutku stymuluje dziecko do rozpoczęcia energicznego ssania, co pobudza receptory w sutku jeszcze bardziej, więc jest jeszcze więcej oksytocyny uwalnianej z przysadki i jeszcze więcej mleka jest uwalniane przez gruczoł sutkowy, i tak dalej, aż dziecko jest nasycone i odłącza się od piersi, kiedy wszystko wraca do normy.
Następny przykład pętli dodatniego sprzężenia zwrotnego jest również związany z niemowlętami, ale dziewięć miesięcy wcześniej. Kopulacja – tak, uprawianie seksu – jest przykładem pętli dodatniego sprzężenia zwrotnego, zarówno u samic jak i u samców. Początkowa stymulacja narządów płciowych pobudza receptory dotykowe, które powiadamiają mózg, który z kolei stymuluje kontynuację (i stopniowe przyspieszanie) ruchu, który zapewnia dalszą stymulację dotykową, i tak dalej, aż do orgazmu, po którym wszystko wraca do normy (afterglow notwithstanding).
Ostatni przykład odnosi się również do podbrzusza ciała. Mikcja (oddawanie moczu) jest również pętlą dodatniego sprzężenia zwrotnego. Ściana pęcherza moczowego jest zbudowana w taki sposób, że składa się z kilku warstw komórek. Kiedy pęcherz się wypełnia, ściana rozciąga się i komórki te przemieszczają się, aż ściana ma grubość tylko jednej komórki. W tym momencie oddanie moczu jest nieuniknione (nie może być zatrzymane przez dobrowolną kontrolę). Rozpoczęcie oddawania moczu rozpoczyna ruch komórek z powrotem ze stanu jednowarstwowego do stanu wielowarstwowego. To powoduje dalsze kurczenie się pęcherza, co zmusza do oddawania moczu jeszcze bardziej, co powoduje jeszcze większe kurczenie się ściany pęcherza, i tak dalej, aż pęcherz będzie całkowicie pusty i wszystko wróci do normy.
Koncepcja pętli sprzężenia zwrotnego jest niezbędna dla zrozumienia zasady homeostazy. Mechanizmy homeostatyczne zapewniają, że środowisko wewnętrzne pozostaje stałe i wszystkie parametry są utrzymywane na optymalnym poziomie (np. temperatura, pH, równowaga sól/woda, itp.) w czasie. Jeśli zmiana środowiska (np. ekspozycja na ciepło lub zimno) powoduje zmianę wewnętrznej temperatury ciała, jest to wyczuwane przez termoreceptory w organizmie. Uruchamia to mechanizmy naprawcze: jeśli ciało jest przegrzane, naczynia włosowate w skórze rozszerzają się i wypromieniowują ciepło, a gruczoły potowe wydzielają pot; jeśli ciało jest zbyt zimne, naczynia włosowate w skórze kurczą się, mięśnie zaczynają drżeć, włosy stają dęba (gęsia skórka), a hormony tarczycy są uwalniane, co powoduje otwarcie porów w błonach mitochondriów w mięśniach, zmniejszając w ten sposób wydajność rozpadu glukozy na wodę i dwutlenek węgla, a tym samym wytwarzanie nadmiaru ciepła. Tak czy inaczej, temperatura ciała zostanie przywrócona do optymalnego poziomu (około 37 stopni Celsjusza), który nazywany jest wartością zadaną temperatury ciała. Każdy aspekt środowiska wewnętrznego ma swój własny set-point, który jest broniony przez homeostatyczne mechanizmy.
Choć zasadniczo poprawne, istnieje problem z pojęciem homeostazy. Jeden z problemów z terminem „homeostaza” jest lingwistyczny: sam termin homeostaza jest mylący. „Homeo” oznacza 'podobny, taki sam’, a „stasis” oznacza 'stabilność’. Tak więc, słowo homeostaza (ukute przez Waltera Cannona na początku XX wieku) sugeruje silną i absolutną stałość. Wyobraź sobie, że kazano Ci narysować graficzną reprezentację koncepcji homeostazy w ciągu 10 sekund. Bez wystarczającej ilości czasu do namysłu, prawdopodobnie narysowałbyś coś takiego:
Główną cechą tego wykresu jest to, że wartość zadana jest stała w czasie. Ale to nie jest tak, jak to działa w prawdziwym świecie. Powyższy wykres jest poprawny tylko wtedy, gdy skala czasu (na osi X) rozciąga się od sekund do minut. Rozszerzenie jej na godziny, dni lub lata spowoduje, że wykres będzie błędny – linia nie będzie już prosta i pozioma. Wartość zadana zmienia się w sposób przewidywalny i dobrze kontrolowany. Na przykład, set-point dla poziomów testosteronu we krwi u ludzkich mężczyzn w ciągu całego życia może wyglądać tak:
To byłby przykład rozwojowej kontroli set-point. W każdym punkcie w czasie, ten punkt nastawczy jest broniony przez mechanizmy homeostatyczne, ale wartość punktu nastawczego jest sama w sobie kontrolowana przez inne procesy fizjologiczne. Inny przykład kontrolowanej zmiany set-point może wyglądać tak:
To byłby przykład oscylacyjnej kontroli set-point. We wczesnych latach 80-tych, Nicholas Mrosovsky ukuł nowy termin, aby zastąpić „homeostazę” i specjalnie do określenia kontrolowanych zmian w set-points wszystkich biochemicznych, fizjologicznych i behawioralnych wartości – reostaza.
Prawie każdy aspekt fizjologii (i zachowania) wykazuje reostazę, zarówno rozwojową jak i oscylacyjną (rytmy dobowe i/lub roczne). Niektóre godne uwagi wyjątki to pH krwi (które musi być utrzymywane w bardzo wąskim zakresie 7.35-7.45) i poziom wapnia we krwi. Jeśli poziom pH lub wapnia zbytnio oddala się od optymalnej wartości, komórki ciała (zwłaszcza komórki nerwowe, mięśnie i komórki serca) nie mogą funkcjonować prawidłowo i organizmowi grozi natychmiastowa śmierć.
Dodatkowe lektury:
„Medicine Needs Evolution” autorstwa Nesse, Stearns i Omenn
Poprzednio w tej serii:
BIO101 – Biology and the Scientific Method
BIO101 – Cell Structure
BIO101 – Protein Synthesis: Transcription and Translation
BIO101: Cell-Cell Interactions
BIO101 – From One Cell To Two: Cell Division and DNA Replication
BIO101 – From Two Cells To Many: Cell Differentiation and Embryonic Development
BIO101 – From Genes To Traits: How Genotype Affects Phenotype
BIO101 – From Genes To Species: A Primer on Evolution
BIO101 – What Creatures Do: Animal Behavior
BIO101 – Organisms In Time and Space: Ecology
BIO101 – Origin of Biological Diversity
BIO101 – Evolution of Biological Diversity
BIO101 – Current Biological Diversity
.