În această prelegere, ca și în cea precedentă și în următoarea, abordez domenii ale biologiei în care sunt foarte slab: originea vieții, diversitatea vieții și taxonomia/sistematica. Acestea sunt, de asemenea, domenii în care au avut loc multe schimbări în ultima vreme (de multe ori neincluse încă în manuale) și este puțin probabil ca eu să fiu la zi, așa că vă rog să mă ajutați să aduc aceste prelegeri la standarde…. Această postare a fost scrisă inițial în 2006 și postată din nou de câteva ori, inclusiv în 2010.
După cum probabil știți, predau BIO101 (și, de asemenea, laboratorul BIO102) studenților netradiționali în cadrul unui program de educație pentru adulți de aproximativ doisprezece ani. Din când în când meditez în mod public pe blog despre acest lucru (a se vedea aceasta, aceasta, aceasta, aceasta, aceasta, aceasta, aceasta și aceasta pentru câteva postări scurte despre diverse aspecte ale acestuia – de la utilizarea videoclipurilor, la utilizarea unui blog de clasă, la importanța Open Access pentru ca studenții să poată citi literatura primară). Calitatea studenților din acest program a crescut în mod constant de-a lungul anilor, dar sunt încă foarte constrâns de timp: Am opt întâlniri de 4 ore cu studenții pe parcursul a opt săptămâni. În această perioadă trebuie să le predau toate noțiunile de biologie de care au nevoie pentru specializările lor non-științifice, plus să las suficient timp pentru ca fiecare student să facă o prezentare (despre știința plantei și animalului preferat) și pentru două examene. Prin urmare, trebuie să reduc prelegerile la strictul necesar și să sper că aceste lucruri sunt cele pe care studenții care nu sunt specializați în științe trebuie să le știe cu adevărat: concepte, mai degrabă decât informații, relații cu restul vieții lor, mai degrabă decât relații cu alte științe. Astfel, îmi urmez prelegerile cu videoclipuri și discuții în clasă, iar temele pentru acasă constau în găsirea unor videoclipuri sau articole interesante despre biologie și în postarea linkurilor pe blogul clasei, pentru a fi văzute de toți. De câteva ori am folosit malaria ca un fir care a legat toate subiectele – de la biologia celulară la ecologie, fiziologie și evoluție. Cred că a funcționat bine, dar este greu de făcut. De asemenea, ei scriu o lucrare finală despre un aspect al fiziologiei.
O altă noutate este că administrația a realizat că majoritatea cadrelor didactice sunt în școală de mulți ani. Avem experiență și se pare că știm ce facem. Astfel, ei ne-au dat recent mult mai multă libertate de a ne concepe propriul program de studiu în loc să urmăm unul predefinit, atâta timp cât obiectivele finale ale clasei rămân aceleași. Nu știu exact când predau din nou cursurile BIO101 (la sfârșitul toamnei, primăvara?), dar vreau să încep din timp să-mi regândesc cursul. De asemenea, mă îngrijorează faptul că, din moment ce nu fac cercetare activă în laborator și, prin urmare, nu urmăresc literatura de specialitate la fel de atent, unele dintre lucrurile pe care le predau sunt acum depășite. Nu că ar fi posibil ca cineva să țină pasul cu toate progresele din toate domeniile biologiei, care este atât de mare, dar cel puțin marile actualizări care afectează predarea cursurilor introductive sunt lucruri pe care trebuie să le știu.
Trebuie să recuperez și să-mi actualizez notele de curs. Și ce modalitate mai bună decât crowdsource! Așa că, în următoarele câteva săptămâni, voi reposta vechile mele note de curs (rețineți că sunt doar introduceri – discuțiile și videoclipurile etc. le urmează în clasă) și vă voi ruga să mă verificați. Dacă am greșit ceva sau dacă ceva nu este de actualitate, anunțați-mă (dar nu împingeți doar propria ipoteză preferată dacă o întrebare nu este încă rezolvată – dați-mi în schimb întreaga explicație a controversei). Dacă ceva lipsește cu desăvârșire, anunțați-mă. Dacă ceva poate fi spus într-un limbaj mai frumos – editați-mi propozițiile. Dacă aveți cunoștință de imagini, articole, blog-posturi, videoclipuri, podcasturi, vizualizări, animații, jocuri etc. interesante care pot fi folosite pentru a explica aceste concepte de bază, anunțați-mă. Și la final, după ce facem asta cu toate cursurile, să discutăm despre programa generală – există o modalitate mai bună de a organiza tot acest material pentru un curs atât de rapid.
Anatomia este subdisciplina biologiei care studiază structura corpului. Ea descrie (și etichetează în latină) morfologia corpului: forma, mărimea, culoarea și poziția diferitelor părți ale corpului, cu o atenție deosebită la organele interne, așa cum sunt vizibile cu ochiul liber. Histologia este un subansamblu al anatomiei care descrie ceea ce poate fi văzut doar la microscop: cum sunt organizate celulele în țesuturi și țesuturile în organe. Embriologia (clasică) descrie modul în care țesuturile și organele își schimbă forma, dimensiunea, culoarea și poziția în timpul dezvoltării.
Anatomia oferă harta și instrumentele pentru studiul funcției organelor din corp. Ea descrie (dar nu explică) structura corpului. Fiziologia descrie mai departe modul în care funcționează corpul, în timp ce biologia evoluționistă oferă explicația structurii și a funcției.
În timp ce detaliile anatomiei umane sunt esențiale în educația medicilor și a asistentelor medicale (și anatomia animală pentru medicii veterinari), nu avem timp și nici nu trebuie să acordăm prea multă atenție detaliilor anatomice fine. Vom relua anatomia relevantă pe măsură ce vom discuta despre funcția organelor: fiziologia.
Există în mod tradițional două moduri de a studia (și de a preda) fiziologia. Prima abordare este cea medicală/biochimică. Corpul este subdivizat în sisteme de organe (de exemplu, respirator, digestiv, circulator etc.) și fiecare sistem este studiat separat, începând cu fiziologia întregului organism și coborând treptat până la nivelul organelor, țesuturilor, celulelor și moleculelor, terminând cu biochimia funcției fiziologice. Se studiază doar corpul uman. Adesea, patologiile și tulburările sunt folosite pentru a ilustra modul în care funcționează organele – la fel cum repararea motorului unei mașini prin înlocuirea unei piese stricate ne ajută să înțelegem cum funcționează în mod normal motorul, la fel și studierea bolilor ne ajută să înțelegem cum funcționează corpul uman sănătos.
Cea de-a doua abordare este cea ecologică/energetică. Funcțiile fiziologice sunt împărțite nu în funcție de sistemul de organe, ci în funcție de problema – impusă de mediu – pe care organismul trebuie să o rezolve pentru a supraviețui și a se reproduce, de exemplu, problema termoreglementării (temperatura corpului), osmoreglementării (echilibrul sare/apă), locomoției (mișcarea), răspunsului la stres etc., fiecare problemă utilizând mai multe sisteme de organe. Un aspect important al acestei abordări este studiul modului în care organismul utilizează energia: este soluția optimă din punct de vedere energetic? Indivizii care au rezolvat o problemă cu un mecanism fiziologic mai eficient din punct de vedere energetic vor fi favorizați de selecția naturală – astfel, această abordare este, de asemenea, profund înrădăcinată într-un context evoluționist. În cele din urmă, această abordare este foarte comparativă – studiul animalelor care trăiesc în medii deosebit de neobișnuite sau dure ne ajută să înțelegem originea și evoluția mecanismelor fiziologice atât la oameni, cât și la alte animale.
Cartea de text este neobișnuit de bună (pentru un manual de Introducere în Biologie) în încercarea de a crea o punte și de a combina ambele abordări. Din păcate, nu avem suficient timp pentru a acoperi în detaliu toate sistemele și toate problemele, așa că vom rămâne la prima abordare, cea medicală, și vom acoperi doar câteva dintre sistemele corpului uman, dar vă îndemn să citiți capitolele relevante din manual pentru a înțelege și aspectele ecologice și evolutive ale fiziologiei (ca să nu mai vorbim de câteva exemple foarte interesante de rezolvare a problemelor de către organismele animale). Sugestie: folosiți întrebările de „Autotest” de la sfârșitul fiecărui capitol și, dacă răspundeți corect la ele, sunteți gata pentru examen.
Să începem prin a examina câteva principii de bază importante care se referă la toată fiziologia. Un astfel de principiu este cel al scalării, pentru care ar trebui să citiți foaia de parcurs pe care o vom discuta în clasă data viitoare. Al doilea principiu important în fiziologie este fenomenul buclelor de feedback: atât buclele de feedback negativ, cât și cele de feedback pozitiv.
Bucla de feedback negativ funcționează într-un mod foarte asemănător cu graficul pe care l-am desenat atunci când am discutat despre comportament. Corpul are un Senzor care monitorizează starea corpului – mediul intern (spre deosebire de mediul extern despre care am vorbit când am discutat despre comportament), de ex. nivelul de oxigen și dioxid de carbon din sânge, tensiunea arterială, tensiunea din mușchi, etc. Dacă ceva din mediul intern se schimbă față de valorile normale, optime, senzorul informează Integratorul (de obicei, sistemul nervos) care inițiază o acțiune (prin intermediul unui Efector) pentru a readuce organismul la starea sa normală.
Astfel, un eveniment A duce la răspunsul B care duce la contracararea și eliminarea evenimentului A. Aproape fiecare funcție din organism funcționează ca o buclă de feedback negativ. De exemplu, dacă un hormon este secretat, împreună cu efectul funcțional al acelui hormon, va exista și declanșarea unei bucle de feedback negativ care va opri secreția ulterioară a acelui hormon.
Există foarte puține funcții în organism care urmează un model diferit – bucla de feedback pozitiv. Acolo, un eveniment A duce la un răspuns B, care duce la reinițierea și intensificarea evenimentului A, care duce la un răspuns B mai puternic… și așa mai departe, până la atingerea unui prag sau până la atingerea scopului final, când totul revine brusc la normal.
Săptămâna viitoare ne vom uita la un exemplu de buclă de feedback pozitiv care are loc în sistemul nervos. Deocamdată, să enumerăm alte câteva bucle de feedback pozitiv notabile la om.
În primul rând, mecanismul de coagulare a sângelui este o cascadă de reacții biochimice care funcționează conform acestui principiu. O leziune stimulează producția unei molecule care declanșează producția unei alte molecule care declanșează producția unei alte molecule, precum și producția unei cantități mai mari din prima moleculă și așa mai departe, până când leziunea s-a închis complet.
Nașterea unui copil este un alt exemplu de buclă de feedback pozitiv. Atunci când bebelușul este gata să iasă (și nu mai are cum să-l oprească în acest moment!), el eliberează un hormon care declanșează prima contracție a uterului. Contracția uterului împinge puțin bebelușul afară. Această mișcare a bebelușului întinde peretele uterului. Peretele uterului conține receptori de întindere care trimit semnale către creier. Ca răspuns la acest semnal, creierul (de fapt, porțiunea posterioară a glandei pituitare, care este o excrescență a creierului) eliberează hormonul oxitocină. Oxitocina ajunge în fluxul sanguin și ajunge în uter, declanșând următoarea contracție care, la rândul ei, mișcă bebelușul, ceea ce întinde și mai mult peretele uterului, ceea ce duce la mai multă eliberare de oxitocină… și așa mai departe, până când bebelușul este expulzat, când totul revine la normal.
Următorul exemplu de buclă de feedback pozitiv este, de asemenea, legat de bebeluși – alăptarea. Când sugarului îi este foame, mama îi duce gura la mamelonul de la sân. Când bebelușul se agață de mamelon și încearcă să sugă, acest lucru stimulează receptorii din mamelon care notifică creierul. Creierul eliberează hormonul oxitocină din glanda pituitară posterioară. Oxitocina ajunge în fluxul sanguin și stimulează glanda mamară să elibereze lapte (nu să sintetizeze lapte – acesta este deja stocat în sâni). Eliberarea laptelui la nivelul mamelonului stimulează bebelușul să înceapă să sugă viguros, ceea ce stimulează și mai mult receptorii din mamelon, astfel încât se eliberează și mai multă oxitocină din hipofiză și se eliberează și mai mult lapte de către glanda mamară, și așa mai departe, până când bebelușul este sătul și se desprinde de la sân, când totul revine la normal.
Următorul exemplu de buclă de feedback pozitiv este, de asemenea, legat de bebeluși, dar cu nouă luni mai devreme. Copulația – da, a face sex – este un exemplu de buclă de feedback pozitiv, atât la femele, cât și la masculi. Stimularea inițială a organelor genitale stimulează receptorii tactili care notifică creierul care, la rândul său, stimulează continuarea (și accelerarea treptată) mișcărilor, care oferă o stimulare tactilă suplimentară, și așa mai departe, până la orgasm, după care totul revine la normal (în pofida strălucirii de după).
Ultimul exemplu se aplică, de asemenea, regiunilor inferioare ale corpului. Micțiunea (urinarea) este, de asemenea, o buclă de feedback pozitiv. Peretele vezicii urinare este construit în așa fel încât există mai multe straturi de celule. Pe măsură ce vezica urinară se umple, peretele se întinde și aceste celule se deplasează până când peretele nu mai are decât o singură celulă în grosime. În acest punct, urinarea este inevitabilă (nu poate fi oprită prin control voluntar). Începerea urinării începe mișcarea celulelor înapoi de la starea de un singur strat la cea de mai multe straturi. Acest lucru contractă și mai mult vezica urinară, ceea ce forțează urina să iasă și mai mult, ceea ce contractă și mai mult peretele vezicii urinare și așa mai departe, până când vezica este din nou complet goală și totul revine la normal.
Conceptul de bucle de feedback este esențial pentru înțelegerea principiului homeostaziei. Mecanismele homeostatice se asigură că mediul intern rămâne constant și că toți parametrii sunt menținuți la nivelurile lor optime (de ex. temperatura, pH-ul, echilibrul sare/apă etc.) de-a lungul timpului. În cazul în care o schimbare în mediul înconjurător (de exemplu, expunerea la căldură sau la frig) duce la modificarea temperaturii interne a corpului, aceasta este detectată de termoreceptorii din organism. Acest lucru declanșează mecanisme de corecție: dacă organismul este supraîncălzit, capilarele din piele se dilată și radiază căldură, iar glanda sudorifică eliberează sudoare; dacă organismul este prea rece, capilarele din piele se contractă, mușchii încep să tremure, firele de păr se ridică (piele de găină), iar hormonii tiroidieni sunt eliberați, ceea ce duce la deschiderea porilor din membranele mitocondriilor din mușchi, reducând astfel eficiența descompunerii glucozei în apă și dioxid de carbon, producând astfel exces de căldură. În orice caz, temperatura corpului va fi readusă la nivelul său optim (în jur de 37 de grade Celsius), care se numește punctul de reglaj al temperaturii corporale. Fiecare aspect al mediului intern are propriul său set-point care este apărat de mecanismele homeostatice.
Deși în esență corect, există o problemă cu conceptul de homeostazie. Una dintre problemele cu termenul „homeostazie” este de ordin lingvistic: însuși termenul homeostazie este înșelător. „Homeo” înseamnă „similar, același”, iar „stază” înseamnă „stabilitate”. Astfel, cuvântul homeostazie (inventat de Walter Cannon la începutul secolului XX) sugerează o constanță puternică și absolută. Imaginați-vă că vi s-a cerut să desenați o reprezentare grafică a conceptului de homeostazie în 10 secunde. Fără suficient timp de gândire, probabil că ați desena ceva de genul acesta:
Caracteristica principală a acestui grafic este că punctul de reglare este constant în timp. Dar nu așa funcționează în lumea reală. Graficul de mai sus este corect doar dacă scara de timp (pe axa X) se întinde doar de la secunde la minute. Dacă este extins la ore, zile sau ani, graficul ar fi eronat – linia nu ar mai fi dreaptă și orizontală. Punctul de setare se modifică într-un mod previzibil și bine controlat. De exemplu, punctul de setare pentru nivelul de testosteron din sângele bărbaților umani pe parcursul unei vieți poate arăta astfel:
Acesta ar fi un exemplu de control evolutiv al unui punct de setare. La fiecare moment dat, acel punct de referință este apărat de mecanisme homeostatice, dar valoarea punctului de referință este la rândul ei controlată de alte procese fiziologice. Un alt exemplu de modificare controlată a unui punct de referință poate arăta astfel:
Acesta ar fi un exemplu de control oscilator al unui punct de referință. La începutul anilor 1980, Nicholas Mrosovsky a inventat un nou termen pentru a înlocui „homeostazia” și pentru a desemna în mod specific schimbările controlate ale set-point-urilor tuturor valorilor biochimice, fiziologice și comportamentale – reostazia.
Chiar fiecare aspect al fiziologiei (și al comportamentului) prezintă reostazie, atât evolutivă, cât și oscilatorie (ritmuri zilnice și/sau anuale). Câteva excepții notabile sunt pH-ul sangvin (care trebuie menținut în intervalul foarte îngust 7,35-7,45) și nivelul calciului din sânge. Dacă nivelurile de pH sau de Calciu se îndepărtează prea mult de valoarea optimă, celulele din organism (mai ales celulele nervoase, mușchii și celulele cardiace) nu pot funcționa corespunzător, iar organismul este în pericol de moarte imediată.
Lecturi suplimentare:
„Medicina are nevoie de evoluție” de Nesse, Stearns și Omenn
Anterioare în această serie:
BIO101 – Biologia și metoda științifică
BIO101 – Structura celulară
BIO101 – Sinteza proteinelor: Transcripția și traducerea
BIO101: Interacțiunile celulă-celulă
BIO101 – De la o celulă la două: Diviziunea celulară și replicarea ADN
BIO101 – De la două celule la mai multe: Diferențierea celulară și dezvoltarea embrionară
BIO101 – De la gene la trăsături: How Genotype Affects Phenotype
BIO101 – From Genes To Species: A Primer on Evolution
BIO101 – What Creatures Do: Comportamentul animalelor
BIO101 – Organismele în timp și spațiu: Ecologie
BIO101 – Originea diversității biologice
BIO101 – Evoluția diversității biologice
BIO101 – Diversitatea biologică actuală
BIO101 – Diversitatea biologică actuală
.