Eines der übergreifenden Themen der Biologie ist, dass die Struktur die Funktion bestimmt; wie etwas angeordnet ist, ermöglicht es ihm, eine bestimmte Aufgabe zu erfüllen. Wir sehen dies auf allen Ebenen der Hierarchie der biologischen Organisation, von den Atomen bis hin zur Biosphäre. Werfen wir einen Blick auf einige Beispiele, bei denen die Struktur die Funktion bestimmt.

• Molekulare Ebene – Proteine. Die Form (Struktur) eines Proteins bestimmt seine Funktion. Es gibt zum Beispiel zwei Grundformen für Proteine: faserig und kugelförmig (rund). Faserproteine, wie z. B. Kollagen (Abbildung 18.1), sind wie ein Seil geformt und verleihen unserer Haut Stärke, damit sie nicht reißt. Faserproteine sind Strukturproteine, weil sie dazu beitragen, der Haut Form und Halt zu geben. Globuläre Proteine, wie z. B. Hämoglobin (Abbildung 18.2), dienen dem Sauerstofftransport im Blut. Andere Beispiele für globuläre Proteine mit unterschiedlichen Funktionen sind Enzyme (katalysieren oder beschleunigen chemische Reaktionen im Körper) und Plasmamembranproteine (können Substanzen durch die Zellmembran transportieren, eine Rolle bei der Zellkommunikation spielen, als Enzyme wirken oder dabei helfen, die Zelle mit dem Rest des Körpers zu identifizieren).

• Zellebene – Skelettmuskelzellen. Die Struktur der Skelettmuskelzellen ermöglicht es ihnen, die Funktion der Kontraktion zu erfüllen, die es uns ermöglicht, uns zu bewegen. Die Skelettmuskelzellen, aus denen zum Beispiel der Biceps brachii besteht, sind durch Sehnen an beiden Enden des Oberarmknochens befestigt und stecken voller kontraktiler Proteine (Aktin und Myosin) (Abbildung 18.3). Wenn sich die kontraktilen Proteine zusammenziehen, verkürzen sie die Muskelzelle, die dann an den Enden des Oberarmknochens zieht und es Ihnen ermöglicht, Ihren Unterarm zu beugen (Abbildung 18.4).

• Individuelle Ebene (Anatomie und Physiologie). Bei der Untersuchung des Menschen ist die Anatomie das Studium der Struktur des Körpers (z. B. wo sich der Quadrizepsmuskel befindet) und die Physiologie das Studium der Funktionen des Körpers (z. B. wie sich der Quadrizepsmuskel zusammenzieht). Werfen wir einen Blick auf die Anatomie des Herzens, die die Funktion des Herzens bestimmt. Das Herz besteht aus vier Hohlkammern (Vorhöfe und Kammern) und ist aus Herzmuskelzellen aufgebaut (Abbildung 18.5). Dank dieser Struktur hat das Herz die Aufgabe, das Blut durch den Körper zu pumpen. Wenn sich die Struktur des Herzens verändert (z. B. wenn einige der Herzkammern gedehnt oder erweitert werden), nimmt die Funktion des Herzens ab, da das Herz nicht mehr so viel Blut pumpen kann, was schließlich zu einer Herzinsuffizienz führt.

• Ökosystem-Ebene. Ein Ökosystem besteht aus einer Gemeinschaft aller verschiedenen Arten, die in einem bestimmten geografischen Gebiet leben, sowie aus allen nicht lebenden Komponenten (z. B. Wasser, Sand, Licht, Sauerstoff). Wenn wir uns die Struktur eines Korallenriff-Ökosystems ansehen, sehen wir, dass die Korallen, die die Grundlage bilden, Schutz und Lebensraum für andere Arten bieten (Abbildung 18.6). Das Korallenriff schützt andere Arten, wie z.B. Fische, vor den Wellen und Strömungen des Ozeans und bietet ihnen einen Ort, an dem sie sich vor Raubtieren verstecken können.

10.2 Menschliche Gewebetypen

Der Begriff Gewebe wird verwendet, um eine Gruppe ähnlicher Zellen zu beschreiben, die zusammen im Körper vorkommen und zusammenarbeiten, um bestimmte Funktionen zu erfüllen. Aus evolutionärer Sicht treten Gewebe in komplexeren Organismen auf.

Obwohl es viele Zelltypen im menschlichen Körper gibt, werden sie in vier Gewebekategorien eingeteilt: Epithelgewebe, Bindegewebe, Muskelgewebe und Nervengewebe. Jede dieser Kategorien zeichnet sich durch spezifische Funktionen aus, die zur allgemeinen Gesundheit und Aufrechterhaltung des Körpers beitragen. Eine Störung der Struktur eines Gewebes ist ein Anzeichen für eine Verletzung oder Krankheit. Solche Veränderungen können mit Hilfe der Histologie, der mikroskopischen Untersuchung von Aussehen, Organisation und Funktion des Gewebes, festgestellt werden.

Die vier Gewebearten

Epithelgewebe, auch Epithel genannt, bezieht sich auf die Zellschichten, die die Außenflächen des Körpers bedecken, innere Hohlräume und Gänge auskleiden und bestimmte Drüsen bilden. Beispiele für Epithelgewebe sind Haut, Schleimhäute, endokrine Drüsen und Schweißdrüsen. Bindegewebe verbindet, wie der Name schon sagt, die Zellen und Organe des Körpers miteinander und dient dem Schutz, der Unterstützung und der Integration aller Körperteile. Bindegewebe ist vielfältig und umfasst Knochen, Sehnen, Bänder, Knorpel, Fett und Blut. Muskelgewebe ist erregbar, reagiert auf Stimulation und kontrahiert, um Bewegung zu ermöglichen, und kommt in drei Haupttypen vor: Skelettmuskel (freiwillig), glatte Muskeln und Herzmuskel im Herzen. Das Nervengewebe ist ebenfalls erregbar und ermöglicht die Weiterleitung von elektrochemischen Signalen in Form von Nervenimpulsen, die zwischen verschiedenen Körperregionen kommunizieren (Abbildung 18.7).

Die nächste Organisationsebene ist das Organ, in dem zwei oder mehr Gewebetypen zusammenkommen, um bestimmte Funktionen zu erfüllen. Genauso wie die Kenntnis der Struktur und Funktion von Zellen Ihnen bei der Untersuchung von Geweben hilft, wird die Kenntnis von Geweben Ihnen helfen zu verstehen, wie Organe funktionieren.

Abbildung 10.7 Vier Arten von Geweben: Körper Die vier Gewebearten werden am Beispiel des Nervengewebes, des geschichteten Plattenepithelgewebes, des Herzmuskelgewebes und des Bindegewebes im Dünndarm dargestellt. Im Uhrzeigersinn von Nervengewebe, LM × 872, LM × 282, LM × 460, LM × 800. (Mikroskopische Aufnahmen, zur Verfügung gestellt von den Regents of University of Michigan Medical School © 2012)

10.3 Menschliche Organsysteme

Ein Organsystem ist eine Gruppe von Organen, die zusammenarbeiten, um wichtige Funktionen auszuführen oder physiologische Bedürfnisse des Körpers zu erfüllen. Die folgende Abbildung 18.8 zeigt die elf verschiedenen Organsysteme des menschlichen Körpers. Die Zuordnung von Organen zu Organsystemen kann ungenau sein, da Organe, die zu einem System „gehören“, auch Funktionen haben können, die zu einem anderen System gehören. Tatsächlich tragen die meisten Organe zu mehr als einem System bei. In diesem Kurs werden wir einige, aber nicht alle dieser Organsysteme besprechen.

In der folgenden Tabelle 10.1 sind die 11 Organsysteme, ihre Bestandteile und Funktionen aufgeführt.

10.4 Homöostase

Bevor wir uns den einzelnen Organsystemen zuwenden, ist es wichtig, das Konzept der Homöostase zu erläutern. Unter Homöostase versteht man die Aufrechterhaltung eines relativ stabilen Zustandes im Körper. Die menschlichen Organe und Organsysteme passen sich ständig an innere und äußere Veränderungen an, um diesen stabilen Zustand aufrechtzuerhalten. Beispiele für innere Zustände, die in Homöostase gehalten werden, sind der Blutzuckerspiegel, die Körpertemperatur und der Kalziumspiegel im Blut. Diese Zustände bleiben stabil, weil sie durch eine negative Rückkopplung gesteuert werden. Steigt der Blutzuckerspiegel oder der Kalziumspiegel an, wird ein Signal an die Organe gesendet, die für die Senkung des Blutzuckerspiegels oder des Kalziumspiegels verantwortlich sind. Die Signale, die die Variable in den Normalbereich (auch Sollwert genannt) zurückführen, sind Beispiele für negative Rückkopplung. Wenn homöostatische Mechanismen versagen, wird die Person krank und könnte sterben.

Kontrolle der Homöostase

Wenn eine Veränderung in der Umgebung einer Person auftritt, muss eine Anpassung vorgenommen werden. Ein Rezeptor (oft ein Neuron) nimmt die Veränderung in der Umwelt wahr und sendet dann ein Signal an das Kontrollzentrum (in den meisten Fällen das Gehirn), das wiederum eine Reaktion erzeugt, die an einen Effektor weitergeleitet wird, der die regulierte Variable wieder in den Normalbereich zurückführt. Der Effektor ist ein Muskel (der sich zusammenzieht oder entspannt) oder eine Drüse, die Sekrete abgibt. Die Homöostase wird durch negative Rückkopplungsschleifen aufrechterhalten. Positive Rückkopplungsschleifen drängen den Organismus noch weiter aus der Homöostase heraus, können aber für das Leben notwendig sein. Die Homöostase wird durch das Nerven- und das Hormonsystem gesteuert.

Negative Rückkopplungsmechanismen

Jeder homöostatische Prozess, der die Richtung des Reizes zurück in den normalen Bereich ändert, ist eine negative Rückkopplungsschleife. Er kann den Reiz entweder verstärken oder abschwächen, aber der Reiz darf nicht so weitergehen, wie er vor der Wahrnehmung durch den Rezeptor war. Mit anderen Worten: Wenn ein Wert zu hoch ist, unternimmt der Körper etwas, um ihn zu senken, und umgekehrt, wenn ein Wert zu niedrig ist, unternimmt der Körper etwas, um ihn zu erhöhen. Daher auch der Begriff negative Rückkopplung. Ein Beispiel ist die Aufrechterhaltung des Blutzuckerspiegels. Nachdem eine Person gegessen hat, steigt der Blutzuckerspiegel an. Spezialisierte Zellen in der Bauchspeicheldrüse nehmen dies wahr, und das Hormon Insulin wird vom endokrinen System ausgeschüttet. Das Insulin bewirkt, dass der Blutzuckerspiegel sinkt, wie es in einem System mit negativer Rückkopplung zu erwarten wäre, wie in Abbildung 18.9 dargestellt. Wenn eine Person jedoch nichts gegessen hat und der Blutzuckerspiegel sinkt, wird dies von einer anderen Gruppe von Zellen in der Bauchspeicheldrüse wahrgenommen, und das Hormon Glukagon wird ausgeschüttet, wodurch der Blutzuckerspiegel steigt. Dies ist immer noch eine negative Rückkopplungsschleife, aber nicht in der Richtung, die der Begriff „negativ“ erwarten lässt. Negative Rückkopplungsschleifen sind der vorherrschende Mechanismus zur Aufrechterhaltung der Homöostase.

Abbildung 10.9 Der Blutzuckerspiegel wird durch eine negative Rückkopplungsschleife gesteuert. (Credit: Modifikation einer Arbeit von Jon Sullivan)

Thermoregulation

Ein weiteres Beispiel für den Einsatz negativer Rückkopplung zur Aufrechterhaltung der Homöostase ist die Thermoregulation. Tiere wie der Mensch, die trotz unterschiedlicher Umgebungstemperaturen eine konstante Körpertemperatur aufrechterhalten, werden als Endothermen bezeichnet. Wir sind in der Lage, diese Temperatur aufrechtzuerhalten, indem wir innere Wärme erzeugen (ein Abfallprodukt der zellulären chemischen Reaktionen des Stoffwechsels), die die zellulären Prozesse auch bei kalter Umgebung optimal funktionieren lässt.

Thermorezeptoren (aus Neuronen) in den inneren Organen, der Wirbelsäule und dem Gehirn senden Informationen über die Körpertemperatur an das Kontrollzentrum im Hypothalamus im Gehirn. Der Hypothalamus fungiert als Thermostat des Körpers und kann die Körpertemperatur anheben oder absenken, um sie im normalen Bereich zu halten (etwa 37 ºC oder 98,6 ºF). Liegt die Körpertemperatur über dem Normalbereich, sendet der Hypothalamus Signale an die Schweißdrüsen, die das Schwitzen auslösen, und an die glatte Muskulatur um die Blutgefäße in der Haut, die eine Gefäßerweiterung bewirkt. Durch die Vasodilatation, d. h. die Öffnung der Arterien zur Haut durch Entspannung ihrer glatten Muskeln, gelangt mehr Blut und Wärme an die Körperoberfläche, was den Wärmeverlust erleichtert und den Körper abkühlt. Liegt die Körpertemperatur hingegen unter dem Normalbereich, gibt der Hypothalamus der Skelettmuskulatur den Befehl, sich zusammenzuziehen, um ein Frösteln auszulösen, wodurch Körperwärme erzeugt wird. Signale werden auch an die glatte Muskulatur um die Blutgefäße in der Haut gesendet, um eine Vasokonstriktion zu bewirken. Die Vasokonstriktion, die Verengung der Blutgefäße in der Haut durch Kontraktion der glatten Muskulatur, reduziert den Blutfluss in den peripheren Blutgefäßen und zwingt das Blut in Richtung des Kerns und der lebenswichtigen Organe, wodurch die Wärme erhalten bleibt.

Der normale Bereich (Sollwert) für die Körpertemperatur kann sich während einer Infektion verändern. Einige Zellen des Immunsystems setzen chemische Stoffe, so genannte Pyrogene, frei, die den Hypothalamus veranlassen, den Normalbereich der Körpertemperatur auf einen höheren Wert zu setzen, was zu Fieber führt. Der Anstieg der Körperwärme macht den Körper weniger optimal für das Bakterienwachstum und erhöht die Aktivitäten der Zellen des Immunsystems, so dass sie besser in der Lage sind, die Infektion zu bekämpfen.

Positive Rückkopplung

Eine positive Rückkopplungsschleife drückt die regulierte Variable weiter weg vom Normalbereich. Eine positive Rückkopplung kommt im Körper nicht oft vor, aber sie wird bei der Blutgerinnung, beim Niesen und bei der Erzeugung von Nervensignalen eingesetzt. Ein weiteres Beispiel für eine positive Rückkopplung sind die Uteruskontraktionen während der Geburt, wie in Abbildung 18.11 dargestellt. Das Hormon Oxytocin, das vom endokrinen System gebildet wird, stimuliert die Kontraktion der Gebärmutter. Dadurch wird der Kopf des Babys in Richtung des Gebärmutterhalses gedrückt und dieser gedehnt. Der gedehnte Gebärmutterhals sendet ein Signal an die Hirnanhangsdrüse im Gehirn, mehr Oxytocin freizusetzen. Das vermehrt ausgeschüttete Oxytocin führt zu stärkeren Gebärmutterkontraktionen, die das Baby weiter in den Gebärmutterhals drücken und diesen noch mehr dehnen. Die vermehrte Ausschüttung von Oxytocin, die stärkeren Gebärmutterkontraktionen und die weitere Dehnung des Gebärmutterhalses setzen sich fort, bis das Baby entbunden ist und die positive Rückkopplungsschleife ausgeschaltet wird, weil der Gebärmutterhals nicht mehr so stark gedehnt wird.

Abbildung 10.11 Die Geburt eines menschlichen Säuglings ist das Ergebnis einer positiven Rückkopplung. (credit: Openstax Biologie 2e)

Abgeleitet aus Openstax Humanbiologie und Biologie 2e