Jedním ze zastřešujících témat biologie je, že struktura určuje funkci; to, jak je něco uspořádáno, umožňuje vykonávat určitou práci. Vidíme to na všech úrovních hierarchie biologické organizace od atomů až po biosféru. Podívejme se na několik příkladů, kde struktura určuje funkci.

• Molekulární úroveň – proteiny. Tvar (struktura) bílkoviny určuje její funkci. Například u bílkovin existují dva základní tvary: vláknitý a kulovitý (kulatý). Vláknité bílkoviny, jako je kolagen (obrázek 18.1), mají tvar provazu a dodávají naší kůži pevnost, aby se neroztrhla. Vláknité bílkoviny jsou strukturální bílkoviny, protože pomáhají dávat kůži tvar a podpírat ji. Kulovité bílkoviny, jako je hemoglobin (obrázek 18.2), slouží k přenosu kyslíku v krvi. Dalšími příklady globulárních bílkovin, které mají různé funkce, jsou enzymy (katalyzují nebo urychlují chemické reakce v těle) a bílkoviny plazmatické membrány (mohou přenášet látky přes buněčnou membránu, hrají roli v buněčné komunikaci, působí jako enzymy nebo pomáhají identifikovat buňku se zbytkem těla).

• Buněčná úroveň – buňky kosterního svalstva. Struktura kosterních svalových buněk jim umožňuje funkci kontrakce, která nám umožňuje pohyb. Například buňky kosterního svalu, které tvoří váš sval biceps brachii, jsou šlachami připojeny k oběma koncům kosti pažní a jsou plné kontraktilních bílkovin (aktinu a myozinu) (obrázek 18.3). Když se kontraktilní bílkoviny stahují, zkracují svalovou buňku, která pak táhne za konce pažní kosti a umožňuje vám ohýbat předloktí (obrázek 18.4).

• Individuální úroveň (anatomie a fyziologie). Při studiu člověka se anatomie zabývá stavbou těla (např. kde se nachází čtyřhlavý sval stehenní) a fyziologie studuje, jak tělo funguje (např. jak se čtyřhlavý sval stehenní stahuje). Podívejme se na anatomii srdce, která určuje jeho funkci. Srdce se skládá ze čtyř dutých komor (předsíní a komor) a je tvořeno buňkami srdečního svalu (obrázek 18.5). Tato struktura umožňuje srdci plnit funkci pumpování krve po těle. Pokud se struktura srdce změní (např. některé srdeční komory se roztáhnou nebo rozšíří), funkce srdce se sníží, protože srdce již nemůže přečerpávat tolik krve, což nakonec způsobí městnavé srdeční selhání.

• Úroveň ekosystému. Ekosystém se skládá ze společenství všech různých druhů žijících v určité zeměpisné oblasti a také ze všech neživých složek (např. voda, písek, světlo, kyslík). Podíváme-li se na strukturu ekosystému korálového útesu, vidíme, že koráli, kteří jsou základním druhem, poskytují ochranu a životní prostředí ostatním druhům (obrázek 18.6). Korálový útes chrání ostatní druhy, například ryby, před mořskými vlnami a proudy a poskytuje jim místo, kde se mohou ukrýt před predátory.

10.2 Typy lidských tkání

Termínem tkáň se označuje skupina podobných buněk, které se společně nacházejí v těle a které společně vykonávají určité funkce. Z evolučního hlediska se tkáně objevují u složitějších organismů.

Ačkoli v lidském těle existuje mnoho typů buněk, jsou uspořádány do čtyř kategorií tkání: epitelové, pojivové, svalové a nervové. Každá z těchto kategorií se vyznačuje specifickými funkcemi, které přispívají k celkovému zdraví a udržení organismu. Narušení struktury tkáně je známkou poranění nebo onemocnění. Takové změny lze zjistit pomocí histologie, mikroskopického zkoumání vzhledu, uspořádání a funkce tkání.

Čtyři typy tkání

Epiteliální tkáň, označovaná také jako epitel, označuje listy buněk, které pokrývají vnější povrch těla, lemují vnitřní dutiny a průchody a tvoří některé žlázy. Příkladem epitelové tkáně je kůže, sliznice, endokrinní žlázy a potní žlázy. Pojivová tkáň, jak napovídá její název, spojuje buňky a orgány těla dohromady a funguje při ochraně, podpoře a integraci všech částí těla. Pojivová tkáň je rozmanitá a zahrnuje kosti, šlachy, vazy, chrupavky, tuk a krev. Svalová tkáň je vzrušivá, reaguje na podněty a stahuje se, aby zajistila pohyb, a vyskytuje se ve třech hlavních typech: kosterní (volní) svalovina, hladká svalovina a srdeční svalovina v srdci. Nervová tkáň je také vzrušivá a umožňuje šíření elektrochemických signálů ve formě nervových vzruchů, které komunikují mezi různými oblastmi těla (obrázek 18.7).

Další úrovní organizace je orgán, kde se spojují dva nebo více typů tkání, aby plnily specifické funkce. Stejně jako vám znalost struktury a funkce buněk pomůže při studiu tkání, znalost tkání vám pomůže pochopit, jak fungují orgány.

Obrázek 10.7 Čtyři typy tkání: Čtyři typy tkání jsou znázorněny na příkladu nervové tkáně, tkáně vrstevnatého dlaždicového epitelu, tkáně srdečního svalu a pojivové tkáně v tenkém střevě. Ve směru hodinových ručiček od nervové tkáně, LM × 872, LM × 282, LM × 460, LM × 800. (Mikrofotografie poskytnuté Regents of University of Michigan Medical School © 2012)

10.3 Orgánové soustavy člověka

Orgánová soustava je skupina orgánů, které společně vykonávají hlavní funkce nebo uspokojují fyziologické potřeby těla. Na obrázku 18.8 níže je znázorněno jedenáct různých orgánových soustav v lidském těle. Přiřazení orgánů k orgánovým systémům může být nepřesné, protože orgány, které „patří“ do jednoho systému, mohou mít také funkce, které jsou nedílnou součástí jiného systému. Ve skutečnosti většina orgánů přispívá k více než jednomu systému. V tomto kurzu se budeme zabývat některými, ale ne všemi orgánovými soustavami.

Níže uvedená tabulka 10.1 uvádí 11 orgánových soustav, jejich součásti a funkce.

10.4 Homeostáza

Než přejdeme k probírání jednotlivých orgánových soustav, je důležité zopakovat si pojem homeostáza. Homeostázou se rozumí udržování relativně stabilního stavu uvnitř organismu. Lidské orgány a orgánové systémy se neustále přizpůsobují vnitřním a vnějším změnám, aby tento stabilní stav udržely. Příklady vnitřních stavů udržovaných v homeostáze jsou hladina glukózy v krvi, tělesná teplota a hladina vápníku v krvi. Tyto podmínky zůstávají stabilní díky regulaci pomocí negativní zpětné vazby. Pokud se hladina glukózy nebo vápníku v krvi zvýší, vyšle to signál orgánům odpovědným za snížení hladiny glukózy nebo vápníku v krvi. Příkladem negativní zpětné vazby jsou signály, které uvedou danou veličinu do normálního rozmezí (nazývaného také nastavený bod). Když homeostatické mechanismy selžou, člověk onemocní a může zemřít.

Kontrola homeostázy

Když dojde ke změně v prostředí člověka, je třeba provést úpravu. Receptor (často neuron) zaznamená změnu v prostředí, poté vyšle signál do řídicího centra (ve většině případů do mozku), které následně vytvoří odpověď, jež je signalizována efektoru, který regulovanou veličinu vrátí zpět do normálního rozmezí. Efektorem je sval (který se stahuje nebo uvolňuje) nebo žláza, která vylučuje. Homeostatika je udržována smyčkami negativní zpětné vazby. Smyčky pozitivní zpětné vazby ve skutečnosti posouvají organismus dále od homeostázy, ale mohou být nezbytné pro život. Homeostázu řídí nervový a endokrinní systém.

Mechanismy negativní zpětné vazby

Každý homeostatický proces, který mění směr podnětu zpět k normálnímu rozsahu, je smyčka negativní zpětné vazby. Může buď zvýšit, nebo snížit podnět, ale podnět nesmí pokračovat tak, jako předtím, než ho receptor zaznamenal. Jinými slovy, pokud je hladina příliš vysoká, tělo udělá něco, aby ji snížilo, a naopak, pokud je hladina příliš nízká, tělo udělá něco, aby se zvýšila. Odtud pochází termín negativní zpětná vazba. Příkladem je udržování hladiny glukózy v krvi. Po jídle se hladina glukózy v krvi zvýší. Specializované buňky ve slinivce břišní to vycítí a endokrinní systém uvolní hormon inzulin. Inzulín způsobuje pokles hladiny glukózy v krvi, jak by se dalo očekávat v systému negativní zpětné vazby, jak je znázorněno na obrázku 18.9. Pokud však člověk nejedl a hladina glukózy v krvi se sníží, vycítí to jiná skupina buněk ve slinivce a uvolní se hormon glukagon, který způsobí zvýšení hladiny glukózy. Stále se jedná o negativní zpětnovazební smyčku, ale ne ve směru, který se očekává při použití termínu „negativní“. Smyčky negativní zpětné vazby jsou převažujícím mechanismem používaným k udržení homeostázy.

Obrázek 10.9 Hladina glukózy v krvi je řízena smyčkou negativní zpětné vazby. (kredit: úprava práce Jona Sullivana)

Termoregulace

Dalším příkladem využití negativní zpětné vazby k udržení homeostázy je termoregulace. Živočichové, jako je člověk, kteří si udržují stálou tělesnou teplotu při rozdílných teplotách prostředí, se nazývají endotermy. Tuto teplotu jsme schopni udržet díky tvorbě vnitřního tepla (odpadního produktu buněčných chemických reakcí metabolismu), které udržuje optimální chod buněčných procesů i při chladném prostředí.

Termoreceptory (tvořené neurony) ve vnitřních orgánech, páteři a mozku posílají informace o tělesné teplotě do řídicího centra v hypotalamu v mozku. Hypotalamus funguje jako tělesný termostat a může zvyšovat nebo snižovat tělesnou teplotu, aby ji udržoval v normálním rozmezí (přibližně 98,6 ºF nebo 37 ºC). Pokud je tělesná teplota nad normálním rozmezím, hypotalamus vyšle signály potním žlázám, aby způsobily pocení, a hladkému svalstvu kolem cév v kůži, aby způsobilo rozšíření cév. Vazodilatace, tedy otevření tepen ke kůži uvolněním jejich hladkého svalstva, přivádí na povrch těla více krve a tepla, což usnadňuje ztrátu tepla a ochlazuje tělo. Naopak, pokud je tělesná teplota pod normálním rozmezím, hypotalamus přikáže kosterním svalům, aby se stáhly a vyvolaly třes, čímž se vytvoří tělesné teplo. Signály jsou vysílány také do hladkého svalstva kolem cév v kůži, kde způsobují zúžení cév. Vazokonstrikce, zúžení cév v kůži stahováním jejich hladkého svalstva, snižuje průtok krve v periferních cévách a vytlačuje krev směrem k jádru a životně důležitým orgánům, čímž se šetří teplo.

Běžný rozsah (bod nastavení) tělesné teploty se může během infekce změnit. Některé buňky vašeho imunitního systému uvolňují chemické látky zvané pyrogeny, které způsobují, že hypotalamus přenastaví normální rozsah tělesné teploty na vyšší hodnotu, což vede k horečce. Zvýšení tělesné teploty snižuje optimální podmínky pro růst bakterií a zvyšuje aktivitu buněk imunitního systému, takže jsou schopny lépe bojovat s infekcí.

Pozitivní zpětná vazba

Smyčka pozitivní zpětné vazby posouvá regulovanou veličinu dále od normálního rozsahu. Kladná zpětná vazba se v těle nevyužívá často, ale používá se při srážení krve, kýchání a generování nervových signálů. Dalším příkladem pozitivní zpětné vazby jsou děložní stahy při porodu, jak je znázorněno na obrázku 18.11. Hormon oxytocin, vytvářený endokrinním systémem, stimuluje kontrakce dělohy. Ta tlačí hlavičku dítěte směrem k děložnímu hrdlu a roztahuje ho. Roztažené děložní hrdlo vyšle signál do hypofýzy v mozku, aby uvolnila více oxytocinu. Zvýšené množství oxytocinu způsobuje silnější děložní stahy, které tlačí dítě dále do děložního hrdla, čímž ho ještě více roztahují. Zvýšené uvolňování oxytocinu, silnější děložní stahy a další roztahování děložního hrdla pokračuje, dokud se dítě neporodí a smyčka pozitivní zpětné vazby se nevypne, protože děložní hrdlo již není tolik roztahováno.

Obrázek 10.11 Porod lidského dítěte je výsledkem pozitivní zpětné vazby. (Kredit: Openstax Biologie 2e)

Převzato z Openstax Biologie člověka a biologie 2e