Et af de overordnede temaer i biologien er, at struktur bestemmer funktion; hvordan noget er indrettet, gør det muligt for det at udføre en bestemt opgave. Vi ser dette på alle niveauer i den biologiske organisations hierarki fra atomer og op til biosfæren. Lad os se på nogle eksempler på, at struktur bestemmer funktion.

• Molekylært niveau – proteiner. Formen (strukturen) af et protein bestemmer dets funktion. For eksempel er der to grundlæggende former for proteiner: fibrøse og kugleformede (runde). Fibrøse proteiner, som f.eks. kollagen (figur 18.1), er formet som et reb og giver styrke til vores hud for at forhindre den i at rive. Fibrøse proteiner er strukturelle proteiner, fordi de er med til at give form til og støtte huden. Globulære proteiner, såsom hæmoglobin (figur 18.2), bruges til at transportere ilt i blodet. Andre eksempler på globulære proteiner, der har forskellige funktioner, er enzymer (katalyserer eller fremskynder kemiske reaktioner i kroppen) og plasmamembranproteiner (kan transportere stoffer over cellemembranen, spille en rolle i cellekommunikation, fungere som enzymer eller hjælpe med at identificere cellen med resten af kroppen).

• Cellulært niveau – skeletmuskelceller. Skeletmuskelcellernes struktur gør det muligt for dem at have den funktion at trække sig sammen, som gør det muligt for os at bevæge os. For eksempel er de skeletmuskelceller, der udgør din biceps brachii-muskel, fastgjort til begge ender af overarmsknoglen med sener og er fyldt med kontraktile proteiner (actin og myosin) (figur 18.3). Når de kontraktile proteiner trækker sig sammen, forkorter de muskelcellen, som så trækker i overarmsknoglens ender og gør det muligt for dig at bøje underarmen (Figur 18.4).

• Individuelt niveau (anatomi og fysiologi). Når man studerer mennesker, er anatomi studiet af kroppens struktur (f.eks. hvor quadricepsmusklen er placeret), og fysiologi er studiet af, hvordan kroppen fungerer (f.eks. hvordan quadricepsmusklen trækker sig sammen). Lad os tage et kig på hjertets anatomi, som dikterer hjertets funktion. Hjertet består af fire hule kamre (forkamre og ventrikler) og er lavet af hjertemuskelceller (figur 18.5). Denne struktur gør det muligt for hjertet at have den funktion at pumpe blod rundt i kroppen. Hvis hjertets struktur ændres (f.eks. hvis nogle af hjertekamrene bliver strakt ud eller udvidet), falder hjertets funktion, da hjertet ikke længere kan pumpe så meget blod, hvilket i sidste ende vil medføre kongestivt hjertesvigt.

• Økosystemniveau. Et økosystem består af et samfund af alle de forskellige arter, der lever i et bestemt geografisk område, samt alle de ikke-levende komponenter (f.eks. vand, sand, lys, ilt). Hvis vi ser på strukturen i et koralrevøkosystem, kan vi se, at korallerne, som er basisarterne, giver beskyttelse og levesteder til andre arter (figur 18.6). Koralrevet beskytter andre arter, f.eks. fisk, mod havets bølger og strømme og giver dem et sted at gemme sig for rovdyr.

10.2 Menneskelige vævstyper

Begrebet væv bruges til at beskrive en gruppe af ens celler, der findes sammen i kroppen, og som handler sammen for at udføre bestemte funktioner. Ud fra et evolutionært perspektiv optræder væv i mere komplekse organismer.

Selv om der findes mange celletyper i menneskekroppen, er de organiseret i fire kategorier af væv: epithelvæv, bindevæv, muskelvæv og nervevæv. Hver af disse kategorier er kendetegnet ved specifikke funktioner, der bidrager til kroppens generelle sundhed og vedligeholdelse. En forstyrrelse af strukturen i et væv er et tegn på skade eller sygdom. Sådanne ændringer kan påvises ved hjælp af histologi, den mikroskopiske undersøgelse af vævets udseende, organisation og funktion.

De fire vævstyper

Epithelvæv, også kaldet epitel, henviser til de celleplader, der dækker kroppens ydre overflader, beklæder indre hulrum og passager og danner visse kirtler. Eksempler på epithelvæv omfatter hud, slimhinder, endokrine kirtler og svedkirtler. Bindevæv binder, som navnet antyder, kroppens celler og organer sammen og fungerer som beskyttelse, støtte og integration af alle dele af kroppen. Bindevævet er mangfoldigt og omfatter knogler, sener, ledbånd, brusk, fedt og blod. Muskelvæv er exciterbart, reagerer på stimulering og trækker sig sammen for at skabe bevægelse og findes i tre hovedtyper: skeletmuskulatur (frivillig), glat muskulatur og hjertemuskulaturen i hjertet. Nervevæv er også exciterbart og tillader udbredelse af elektrokemiske signaler i form af nerveimpulser, der kommunikerer mellem forskellige regioner i kroppen (figur 18.7).

Det næste organisationsniveau er organet, hvor to eller flere typer væv samles for at udføre specifikke funktioner. Ligesom viden om cellers struktur og funktion hjælper dig i din undersøgelse af væv, vil viden om væv hjælpe dig til at forstå, hvordan organer fungerer.

Figur 10.7 Fire vævstyper: Krop De fire vævstyper er eksemplificeret i nervevæv, stratificeret pladeepithelvæv, hjertemuskelvæv og bindevæv i tyndtarmen. Med uret fra nervevæv, LM × 872, LM × 282, LM × 460, LM × 800. (Mikrografer stillet til rådighed af Regents of University of Michigan Medical School © 2012)

10.3 Menneskets organsystemer

Et organsystem er en gruppe af organer, der arbejder sammen for at udføre vigtige funktioner eller opfylde fysiologiske behov i kroppen. Figur 18.8 nedenfor viser de elleve forskellige organsystemer i den menneskelige krop. Det kan være upræcist at henføre organer til organsystemer, da organer, der “hører til” et system, også kan have funktioner, der er integreret i et andet system. Faktisk bidrager de fleste organer til mere end ét system. I dette kursus vil vi diskutere nogle, men ikke alle disse organsystemer.

Tabel 10.1 nedenfor indeholder en liste over de 11 organsystemer, deres komponenter og funktioner.

10.4 Homeostase

Hvor vi går videre til at diskutere de enkelte organsystemer, er det vigtigt at gennemgå begrebet homeostase. Homeostase henviser til opretholdelse af en relativt stabil tilstand i kroppen. Menneskets organer og organsystemer tilpasser sig konstant til interne og eksterne ændringer for at opretholde denne stabile tilstand. Eksempler på indre forhold, der opretholdes i homeostase, er blodglukoseniveauet, kropstemperaturen og calciumniveauet i blodet. Disse forhold forbliver stabile på grund af kontrol ved hjælp af negativ feedback. Hvis blodsukkeret eller kalciumniveauet stiger, sendes der et signal til de organer, der er ansvarlige for at sænke blodsukkeret eller kalciumniveauet. De signaler, der bringer variablen tilbage til det normale område (også kaldet setpunktet), er eksempler på negativ feedback. Når de homøostatiske mekanismer svigter, bliver personen syg og kan dø.

Kontrol af homøostase

Når der sker en ændring i en persons omgivelser, skal der foretages en tilpasning. En receptor (ofte en neuron) registrerer ændringen i omgivelserne og sender derefter et signal til kontrolcentret (i de fleste tilfælde hjernen), som på sin side genererer et respons, der signaleres til en effektor, som bringer den regulerede variabel tilbage til det normale område. Effektoren er en muskel (der trækker sig sammen eller slapper af) eller en kirtel, der udskiller noget. Homøostatismen opretholdes ved hjælp af negative feedbackkredsløb. Positive feedback-sløjfer skubber faktisk organismen længere ud af homøostase, men kan være nødvendige for, at der kan opstå liv. Homeostase styres af nervesystemet og det endokrine system.

Negative feedback-mekanismer

Alle homeostatiske processer, der ændrer stimulusens retning tilbage mod det normale område, er et negativt feedback-løb. Den kan enten øge eller mindske stimulussen, men stimulussen får ikke lov til at fortsætte, som den gjorde, før receptoren registrerede den. Med andre ord, hvis et niveau er for højt, gør kroppen noget for at få det ned, og omvendt, hvis et niveau er for lavt, gør kroppen noget for at få det til at stige. Heraf udtrykket negativ feedback. Et eksempel er opretholdelse af blodglukoseniveauet. Når en person har spist, stiger blodglukoseniveauet. Specialiserede celler i bugspytkirtlen mærker dette, og hormonet insulin frigives af det endokrine system. Insulin får blodglukoseniveauet til at falde, som det ville være forventeligt i et negativt feedback-system, som illustreret i figur 18.9. Hvis en person imidlertid ikke har spist, og blodglukoseniveauet falder, registreres dette i en anden gruppe af celler i bugspytkirtlen, og hormonet glukagon frigives, hvilket får glukoseniveauet til at stige. Dette er stadig et negativt feedback loop, men ikke i den retning, som man forventer, når man bruger udtrykket “negativ”. Negative feedbacksløjfer er den fremherskende mekanisme, der anvendes til at opretholde homeostase.

Figur 10.9 Blodglukoseniveauet styres af en negativ feedbacksløjfe. (credit: modifikation af arbejde af Jon Sullivan)

Thermoregulering

Et andet eksempel på brugen af negativ feedback til at opretholde homeostase er termoregulering. Dyr, som f.eks. mennesker, der opretholder en konstant kropstemperatur i forbindelse med forskellige omgivelsestemperaturer, kaldes endotherme dyr. Vi er i stand til at opretholde denne temperatur ved at generere intern varme (et affaldsprodukt fra de cellulære kemiske reaktioner i stofskiftet), som holder de cellulære processer i optimal drift, selv når omgivelserne er kolde.

Thermoreceptorer (bestående af neuroner) i de indre organer, rygsøjlen og hjernen sender oplysninger om kropstemperaturen til kontrolcentret i hypothalamus i hjernen. Hypothalamus fungerer som kroppens termostat og kan hæve eller sænke kropstemperaturen for at holde den inden for det normale område (omkring 98,6 ºF eller 37 ºC). Hvis kropstemperaturen er over det normale område, sender hypothalamus signaler til svedkirtlerne for at forårsage svedproduktion og til den glatte muskel omkring blodkarrene i huden for at forårsage vasodilatation. Vasodilation, dvs. åbning af arterierne til huden ved afslapning af deres glatte muskler, bringer mere blod og varme til kroppens overflade, hvilket letter varmetabet og afkøler kroppen. Omvendt vil hypothalamus, hvis kropstemperaturen er under det normale område, bede skeletmuskulaturen om at trække sig sammen for at forårsage rystelser, hvilket vil generere kropsvarme. Der sendes også signaler til den glatte muskulatur omkring blodkarrene i huden for at forårsage vasokonstriktion. Vasokonstriktion, dvs. indsnævring af blodkarrene til huden ved sammentrækning af deres glatte muskler, reducerer blodgennemstrømningen i de perifere blodkar og tvinger blodet mod kernen og de vitale organer, hvorved varmen bevares.

Det normale område (setpunkt) for kropstemperaturen kan ændres under en infektion. Nogle af dine immunsystemceller frigiver kemikalier kaldet pyrogener, som får hypothalamus til at nulstille kropstemperaturens normalområde til en højere værdi, hvilket resulterer i en feber. Stigningen i kropsvarmen gør kroppen mindre optimal for bakterievækst og øger immunsystemets cellers aktiviteter, så de er bedre i stand til at bekæmpe infektionen.

Positiv feedback

Et positivt feedbackloop skubber den regulerede variabel længere væk fra det normale område. Positiv feedback anvendes ikke ofte i kroppen, men det bruges i forbindelse med blodets størkning, nysen og generering af nervesignaler. Et andet eksempel på positiv feedback er livmodersammentrækninger under fødslen, som illustreret i figur 18.11. Hormonet oxytocin, der produceres af det endokrine system, stimulerer sammentrækningen af livmoderen. Dette skubber barnets hoved mod livmoderhalsen og strækker den. Den strakte livmoderhals sender et signal til hypofysen i hjernen om at frigive mere oxytocin. Det øgede oxytocin forårsager stærkere livmoderkontraktioner, som skubber barnet længere ind mod livmoderhalsen og strækker den endnu mere. Den øgede frigivelse af oxytocin, stærkere livmoderkontraktioner og yderligere strækning af livmoderhalsen fortsætter, indtil barnet er født, og det positive feedbackloop slukkes, fordi livmoderhalsen ikke længere strækkes så meget.

Figur 10.11 Fødslen af et menneskeligt spædbarn er resultatet af positiv feedback. (credit: Openstax Biology 2e)

Adapteret fra Openstax Human Biology and Biology 2e

Medieangivelser

• Kollagen
• Hæmoglobin
• Muskelfibre
• Biceps
• Intern Anatomi af hjertet
• Koralrev