I den här föreläsningen, liksom i den föregående och nästa, tar jag itu med de områden inom biologin där jag är riktigt svag: livets ursprung, livets mångfald och taxonomi/systematik. Detta är också områden där det har skett en hel del förändringar på senare tid (ofta ännu inte införlivade i läroböcker), och det är osannolikt att jag är uppdaterad, så var snäll och hjälp mig att få dessa föreläsningar uppdaterade…. Det här inlägget skrevs ursprungligen 2006 och har lagts ut på nytt några gånger, bland annat 2010.
Som ni kanske vet har jag undervisat BIO101 (och även BIO102 Lab) för icke-traditionella studenter i ett vuxenutbildningsprogram i ungefär tolv år nu. Då och då funderar jag över det offentligt på bloggen (se det här, det här, det här, det här, det här, det här, det här och det här för några korta inlägg om olika aspekter av det – från användningen av videoklipp till användningen av en klassrumsblogg och betydelsen av öppen tillgång så att eleverna kan läsa primärlitteratur). Kvaliteten på eleverna i detta program har stadigt ökat under åren, men jag har fortfarande mycket ont om tid: Jag har åtta möten på fyra timmar med eleverna under åtta veckor. Under denna period måste jag lära dem all biologi som de behöver för sina icke-vetenskapliga huvudämnen, och dessutom lämna tillräckligt med tid för att varje student ska kunna hålla en presentation (om vetenskapen om sin favoritväxt och sitt favoritdjur) och för två tentor. Jag måste alltså ta bort föreläsningarna till det allra nödvändigaste och hoppas att det är detta som de som inte är studenter i naturvetenskapliga ämnen verkligen behöver veta: begrepp snarare än fakta, samband med resten av deras liv snarare än samband med de andra vetenskaperna. Därför följer jag upp mina föreläsningar med videoklipp och diskussioner i klassrummet, och deras hemläxa består i att hitta coola biologivideor eller artiklar och lägga ut länkarna på klassrumsbloggen så att alla kan se dem. Ett par gånger använde jag malaria som en tråd som kopplade samman alla ämnen – från cellbiologi till ekologi till fysiologi och evolution. Jag tycker att det fungerade bra, men det är svårt att göra. De skriver också ett slutarbete om någon aspekt av fysiologi.
En annan ny utveckling är att administrationen har insett att de flesta lärare har varit med i skolan i många år. Vi är erfarna, och tydligen vet vi vad vi gör. Därför gav de oss nyligen mycket större frihet att utforma vår egen kursplan i stället för att följa en fördefinierad kursplan, så länge de slutgiltiga målen för klassen förblir desamma. Jag är inte exakt säker på när jag undervisar BIO101-föreläsningarna igen (sen höst, vår?), men jag vill börja ompröva min klass tidigt. Jag är också orolig för att, eftersom jag inte aktivt forskar i labbet och därmed inte följer litteraturen lika noga, att en del av det jag lär ut nu är föråldrat. Inte för att någon kan hålla sig ajour med alla framsteg inom alla områden av biologin som är så enorm, men åtminstone stora uppdateringar som påverkar undervisningen i introduktionskurser är saker som jag behöver veta.
Jag måste komma ikapp och uppgradera mina föreläsningsanteckningar. Och vad finns det för bättre sätt än crowdsource! Så under de nya veckorna kommer jag att återpublicera mina gamla föreläsningsanteckningar (observera att de bara är introduktioner – diskussioner och videoklipp etc. följer dem i klassrummet) och jag kommer att be er att faktagranska mig. Om jag har fel eller om något är inaktuellt, säg till mig (men tryck inte bara på din egen hypotes om en fråga ännu inte är avgjord – ge mig hela förklaringen till kontroversen i stället). Om det är något som uppenbart saknas, låt mig veta det. Om något kan sägas på ett trevligare språk – redigera mina meningar. Om du känner till häftiga bilder, artiklar, blogginlägg, videor, poddar, visualiseringar, animationer, spel osv. som kan användas för att förklara dessa grundläggande begrepp – låt mig veta. Och i slutet, när vi har gjort detta med alla föreläsningar, kan vi diskutera den övergripande kursplanen – finns det ett bättre sätt att organisera allt detta material för en så snabb klass.
Anatomi är den underdisciplin inom biologin som studerar kroppens struktur. Den beskriver (och etiketterar på latin) kroppens morfologi: form, storlek, färg och placering av olika kroppsdelar, med särskild uppmärksamhet på de inre organen, så som de syns med blotta ögat. Histologi är en delmängd av anatomin som beskriver det som endast kan ses i mikroskop: hur celler organiseras till vävnader och vävnader till organ. (Klassisk) embryologi beskriver hur vävnader och organ ändrar form, storlek, färg och position under utvecklingen.
Anatomi tillhandahåller kartan och verktygen för studiet av organens funktion i kroppen. Den beskriver (men förklarar inte) kroppens struktur. Fysiologin beskriver vidare hur kroppen fungerar, medan evolutionsbiologin ger förklaringen till strukturen och funktionen.
Men även om detaljerna i människans anatomi är viktiga i utbildningen av läkare och sjuksköterskor (och djuranatomi för veterinärer), har vi inte tid, och behöver inte heller ägna alltför stor uppmärksamhet åt fina anatomiska detaljer. Vi kommer att ta upp relevant anatomi när vi diskuterar organens funktion: fysiologi.
Det finns traditionellt två sätt att studera (och lära ut) fysiologi. Det första sättet är medicinskt/biokemiskt. Kroppen delas in i organsystem (t.ex. andningsorgan, matsmältningsorgan, cirkulationsorgan etc.) och varje system studeras separat, med början i hela organismens fysiologi och successivt ner till organ-, vävnads-, cell- och molekylnivå, och avslutas med biokemin för den fysiologiska funktionen. Endast människokroppen studeras. Ofta används patologier och störningar för att illustrera hur organ fungerar – precis som att laga en bilmotor genom att byta ut en trasig del hjälper oss att förstå hur motorn normalt fungerar, så hjälper studier av sjukdomar oss att förstå hur den friska människokroppen fungerar.
Den andra metoden är ekologisk/energetisk. De fysiologiska funktionerna delas inte upp efter organsystem utan efter det problem – påtvingat av miljön – som kroppen måste lösa för att överleva och reproducera sig. Exempelvis problemet med termoreglering (kroppstemperatur), osmoreglering (salt/vattenbalans), lokomotion (rörelse), stressreaktion etc., där varje problem utnyttjar flera organsystem. En viktig aspekt av detta tillvägagångssätt är studiet av hur kroppen använder energi: är lösningen energimässigt optimal? Individer som har löst ett problem med en mer energieffektiv fysiologisk mekanism kommer att gynnas av det naturliga urvalet – därför är detta tillvägagångssätt också djupt förankrat i ett evolutionärt sammanhang. Slutligen är detta tillvägagångssätt mycket komparativt – studier av djur som lever i särskilt ovanliga eller hårda miljöer hjälper oss att förstå ursprunget och utvecklingen av fysiologiska mekanismer både hos människor och andra djur.
Läroboken är ovanligt bra (för att vara en lärobok i introduktion till biologi) när det gäller att försöka överbrygga och kombinera båda tillvägagångssätten. Tyvärr har vi inte tillräckligt med tid för att täcka alla system och alla problem i detalj, så vi kommer att hålla oss till det första, medicinska tillvägagångssättet och bara täcka några av människokroppens system, men jag uppmanar dig att läsa de relevanta lärobokskapitlen för att förstå de ekologiska och evolutionära aspekterna av fysiologin också (för att inte nämna några riktigt häftiga exempel på problemlösning av djurkroppar). Tips: använd frågorna om ”självtest” i slutet av varje kapitel och om du svarar rätt på dem är du redo för provet.
Låt oss börja med att titta på ett par viktiga grundprinciper som gäller för hela fysiologin. En sådan princip är skalningsprincipen, för vilken du bör läsa den handout som vi kommer att diskutera på lektionen nästa gång. Den andra viktiga principen inom fysiologin är fenomenet återkopplingsslingor: både negativa och positiva återkopplingsslingor.
Negativa återkopplingsslingor fungerar på ett sätt som är mycket likt den graf vi ritade när vi diskuterade beteende. Kroppen har en sensor som övervakar tillståndet i kroppen – den inre miljön (till skillnad från den yttre miljön som vi talade om när vi diskuterade beteende), t.ex. blodets syre- och koldioxidnivåer, blodtrycket, spänningen i musklerna osv. Om något i den inre miljön förändras från de normala, optimala värdena informerar sensorn integratören (vanligen nervsystemet) som inleder en åtgärd (via en effektor) för att återföra kroppen till det normala tillståndet.
Sålunda leder en händelse A till en reaktion B som leder till att händelsen A motverkas och elimineras. Nästan alla funktioner i kroppen fungerar som en negativ återkopplingsslinga. Om till exempel ett hormon utsöndras kommer det tillsammans med den funktionella effekten av det hormonet också att utlösas en negativ återkopplingsslinga som stoppar den fortsatta utsöndringen av det hormonet.
Det finns mycket få funktioner i kroppen som följer ett annat mönster – den positiva återkopplingsslingan. Där leder en händelse A till reaktion B som leder till att händelsen A återigen inleds och intensifieras, vilket leder till en starkare reaktion B … och så vidare, tills en tröskel nås eller det slutliga målet är uppnått, då allt plötsligt återgår till det normala.
Vi kommer att titta på ett exempel på den positiva återkopplingsslingan som sker i nervsystemet nästa vecka. För tillfället ska vi räkna upp några andra anmärkningsvärda positiva återkopplingsslingor hos människor.
För det första är blodkoagulationsmekanismen en kaskad av biokemiska reaktioner som fungerar enligt denna princip. En skada stimulerar produktionen av en molekyl som utlöser produktion av en annan molekyl som utlöser produktion av en annan molekyl samt produktion av mer av den första molekylen, och så vidare tills skadan är helt stängd.
Barnfödsel är ett annat exempel på en positiv återkopplingsslinga. När barnet är redo att gå ut (och det finns inget som kan stoppa det vid det här laget!) frisätter det ett hormon som utlöser den första sammandragningen av livmodern. Livmoderns sammandragning trycker ut barnet lite grann. Denna rörelse av barnet sträcker ut livmoderväggen. Livmoderväggen innehåller sträckreceptorer som skickar signaler till hjärnan. Som svar på signalen frisätter hjärnan (egentligen den bakre delen av hypofysen, som är en utväxt av hjärnan) hormonet oxytocin. Oxytocin hamnar i blodomloppet och når livmodern vilket utlöser nästa sammandragning som i sin tur förflyttar barnet vilket ytterligare sträcker livmoderväggen, vilket resulterar i mer frisättning av oxytocin … och så vidare tills barnet stöts ut, då allt återgår till det normala.
Nästa exempel på den positiva återkopplingsslingan är också relaterat till spädbarn – amning. När spädbarnet är hungrigt för mamman dess mun till bröstvårtan. När spädbarnet fäster sig vid bröstvårtan och försöker suga stimulerar detta receptorerna i bröstvårtan som meddelar hjärnan. Hjärnan frigör hormonet oxytocin från den bakre hypofysen. Oxytocin hamnar i blodomloppet och stimulerar bröstkörteln att frigöra mjölk (inte att syntetisera mjölk – den lagras redan i brösten). Frigörandet av mjölk vid bröstvårtan stimulerar barnet att börja suga kraftigt, vilket stimulerar receptorerna i bröstvårtan ännu mer, så att ännu mer oxytocin frigörs från hypofysen och ännu mer mjölk frigörs av bröstkörteln, och så vidare, tills barnet är mättat och kopplar loss från bröstet, då allt återgår till det normala.
Nästa exempel på den positiva återkopplingsslingan är också relaterat till bebisar, men nio månader tidigare. Kopulation – ja, att ha sex – är ett exempel på en positiv återkopplingsslinga, både hos kvinnor och män. Den inledande stimuleringen av könsorganen stimulerar beröringsreceptorerna som meddelar hjärnan som i sin tur stimulerar till fortsatta (och gradvis snabbare) rörelser, vilket ger ytterligare taktil stimulering och så vidare fram till orgasmen, varefter allt återgår till det normala (trots efterglöden).
Det sista exemplet gäller även kroppens nedre regioner. Mikturition (urinering) är också en positiv återkopplingsslinga. Urinblåsans vägg är uppbyggd på ett sådant sätt att det finns flera lager av celler. När urinblåsan fylls sträcker sig väggen och dessa celler flyttas runt tills väggen bara är en enda cell tjock. Vid denna tidpunkt är urinering oundviklig (kan inte stoppas genom frivillig kontroll). Början av urinering startar förflyttningen av cellerna tillbaka från ett skikt till flera skikt. Detta drar ihop blåsan ytterligare vilket tvingar ut urinen ännu mer vilket drar ihop blåsans vägg ännu mer, och så vidare tills blåsan är helt tom igen och allt återgår till det normala.
Begreppet återkopplingsslingor är väsentligt för förståelsen av homeostasprincipen. Homeostatiska mekanismer ser till att den inre miljön förblir konstant och att alla parametrar hålls på sina optimala nivåer (t.ex. temperatur, pH, salt/vattenbalans osv.) över tiden. Om en förändring i miljön (t.ex. exponering för värme eller kyla) leder till en förändring av kroppens inre temperatur, registreras detta av termoreceptorer i kroppen. Om kroppen är överhettad expanderar kapillärerna i huden och utstrålar värme och svettkörtlarna avger svett. Om kroppen är för kall drar kapillärerna i huden ihop sig, musklerna börjar darra, hårstråna reser sig upp (gåshud) och sköldkörtelhormonerna frisätts, vilket leder till att porerna i mitokondriernas membran i musklerna öppnas och att effektiviteten i nedbrytningen av glukos till vatten och koldioxid minskar, vilket ger upphov till överskottsvärme. I vilket fall som helst kommer kroppstemperaturen att återgå till sin optimala nivå (cirka 37 grader Celsius), som kallas för kroppstemperaturens börvärde. Varje aspekt av den inre miljön har sitt eget börvärde som försvaras av homeostatiska mekanismer.
Även om det i huvudsak är korrekt finns det ett problem med begreppet homeostas. Ett av problemen med begreppet ”homeostas” är språkligt: själva termen homeostas är missvisande. ”Homeo” betyder ”liknande, samma” och ”stasis” betyder ”stabilitet”. Ordet homeostas (som myntades av Walter Cannon i början av 1900-talet) antyder alltså stark och absolut beständighet. Föreställ dig att du skulle rita en grafisk bild av begreppet homeostas på 10 sekunder. Utan tillräcklig betänketid skulle du förmodligen rita något liknande:
Den viktigaste egenskapen i denna graf är att börvärdet är konstant över tiden. Men det är inte så det fungerar i den verkliga världen. Grafen ovan är korrekt endast om tidsskalan (på X-axeln) endast sträcker sig från sekunder till minuter. Om den utvidgas till timmar, dagar eller år blir grafen felaktig – linjen är inte längre rak och horisontell. Börvärdet ändras på ett förutsägbart och välkontrollerat sätt. Till exempel kan börvärdet för testosteronnivåerna i blodet hos mänskliga män under en livstid se ut så här:
Det skulle vara ett exempel på utvecklingskontroll av ett börvärde. Vid varje tidpunkt försvaras detta börvärde av homeostatiska mekanismer, men börvärdet styrs i sig självt av andra fysiologiska processer. Ett annat exempel på kontrollerad förändring av ett börvärde kan se ut så här:
Detta skulle vara ett exempel på en oscillerande kontroll av ett börvärde. I början av 1980-talet myntade Nicholas Mrosovsky en ny term för att ersätta ”homeostas” och specifikt för att beteckna kontrollerade förändringar av börvärden för alla biokemiska, fysiologiska och beteendemässiga värden – reostasis.
Nästan alla aspekter av fysiologi (och beteende) uppvisar reostasis, både utvecklingsmässigt och oscillatoriskt (dagliga och/eller årliga rytmer). Några anmärkningsvärda undantag är blodets pH-värde (som måste hållas inom det mycket snäva intervallet 7,35-7,45) och blodets kalciumnivåer. Om pH- eller kalciumnivåerna rör sig för långt bort från det optimala värdet kan kroppens celler (framför allt nervceller, muskler och hjärtceller) inte fungera korrekt och kroppen riskerar att omedelbart dö.
Övrig läsning:
”Medicine Needs Evolution” av Nesse, Stearns och Omenn
Förut i denna serie:
BIO101 – Biology and the Scientific Method
BIO101 – Cellstruktur
BIO101 – Proteinsyntes: Transkription och översättning
BIO101: Interaktioner mellan celler
BIO101 – Från en cell till två: Celldelning och DNA-replikation
BIO101 – Från två celler till många: Celldifferentiering och embryonal utveckling
BIO101 – Från gener till egenskaper: Hur genotypen påverkar fenotypen
BIO101 – Från gener till arter: En grundkurs i evolution
BIO101 – Vad varelser gör: Djurens beteende
BIO101 – Organismer i tid och rum: Ekologi
BIO101 – Den biologiska mångfaldens ursprung
BIO101 – Den biologiska mångfaldens utveckling
BIO101 – Den nuvarande biologiska mångfalden
BIO101