Yksi biologian läpileikkaavista teemoista on se, että rakenne määrää toiminnon; se, miten jokin on järjestetty, mahdollistaa sen, että se voi suorittaa tietyn tehtävän. Tämä näkyy biologisen organisaation hierarkian kaikilla tasoilla atomeista biosfääriin. Katsotaanpa muutamia esimerkkejä, joissa rakenne määrittää toimintaa.

• Molekyylitaso – proteiinit. Proteiinin muoto (rakenne) määrää sen toiminnan. Esimerkiksi proteiineilla on kaksi perusmuotoa: kuituinen ja pallomainen (pyöreä). Kuituproteiinit, kuten kollageeni (kuva 18.1), ovat muodoltaan köyden muotoisia, ja ne antavat ihollemme lujuutta, jotta se ei repeäisi. Kuituproteiinit ovat rakenneproteiineja, koska ne auttavat antamaan iholle muodon ja tukemaan sitä. Pallomaiset proteiinit, kuten hemoglobiini (kuva 18.2), kuljettavat happea veressä. Muita esimerkkejä pallomaisista proteiineista, joilla on erilaisia tehtäviä, ovat entsyymit (katalysoivat tai nopeuttavat kemiallisia reaktioita elimistössä) ja plasmakalvoproteiinit (voivat kuljettaa aineita solukalvon läpi, niillä on rooli solujen välisessä viestinnässä, ne toimivat entsyymeinä tai auttavat tunnistamaan solun muuhun elimistöön nähden).

• Solutaso – luurankolihassolut. Luustolihassolujen rakenteen ansiosta niillä on supistumistoiminto, jonka ansiosta voimme liikkua. Esimerkiksi luurankolihassolut, jotka muodostavat hauislihaksen (biceps brachii), ovat kiinnittyneet jänteillä olkaluun molempiin päihin, ja ne ovat täynnä supistuvia proteiineja (aktiini ja myosiini) (kuva 18.3). Kun supistumiskykyiset proteiinit supistuvat, ne lyhentävät lihassolua, joka sitten vetää olkaluun päitä ja mahdollistaa kyynärvarren taivuttamisen (kuva 18.4).

• Yksilötaso (anatomia ja fysiologia). Ihmistä tutkittaessa anatomia tutkii kehon rakennetta (esim. missä quadriceps-lihas sijaitsee) ja fysiologia tutkii kehon toimintaa (esim. miten quadriceps-lihas supistuu). Tarkastellaan sydämen anatomiaa, joka sanelee sydämen toiminnan. Sydän koostuu neljästä onttokammiosta (eteiset ja kammiot) ja se koostuu sydänlihassoluista (kuva 18.5). Tämän rakenteen ansiosta sydämen tehtävänä on pumpata verta ympäri kehoa. Jos sydämen rakenne muuttuu (esim. jotkut sydämen kammiot venyvät tai laajenevat), sydämen toiminta heikkenee, koska sydän ei enää pysty pumppaamaan niin paljon verta, mikä aiheuttaa lopulta sydämen vajaatoiminnan.

• Ekosysteemin taso. Ekosysteemi koostuu kaikkien tietyllä maantieteellisellä alueella elävien eri lajien yhteisöstä sekä kaikista elottomista osatekijöistä (esim. vesi, hiekka, valo, happi). Jos tarkastelemme koralliriuttaekosysteemin rakennetta, huomaamme, että korallit, jotka ovat peruslajeja, tarjoavat suojaa ja elinympäristöä muille lajeille (kuva 18.6). Koralliriutta suojaa muita lajeja, kuten kaloja, valtameren aalloilta ja virtauksilta ja antaa niille piilopaikan petoeläimiltä.

10.2 Ihmisen kudostyypit

Käsitteellä kudos kuvataan ryhmää samankaltaisia soluja, jotka löytyvät elimistöstä yhdessä ja jotka toimivat yhdessä suorittaakseen tietyt tehtävät. Evoluution näkökulmasta kudokset esiintyvät monimutkaisemmissa eliöissä.

Vaikka ihmiskehossa on monia solutyyppejä, ne on järjestetty neljään kudosluokkaan: epiteelikudokseen, sidekudokseen, lihakseen ja hermostoon. Kullekin näistä luokista on ominaista erityiset toiminnot, jotka edistävät kehon yleistä terveyttä ja ylläpitoa. Kudoksen rakenteen häiriö on merkki vammasta tai sairaudesta. Tällaiset muutokset voidaan havaita histologian avulla, joka on kudosten ulkonäön, järjestäytymisen ja toiminnan mikroskooppinen tutkimus.

Neljä kudostyyppiä

Epiteelikudoksella, josta käytetään myös nimitystä epiteeli, tarkoitetaan solukalvoja, jotka peittävät elimistön ulkopintoja, reunustavat sisäisiä onteloita ja kulkuväyliä ja muodostavat tiettyjä rauhasia. Esimerkkejä epiteelikudoksesta ovat iho, limakalvot, hormonirauhaset ja hikirauhaset. Nimensä mukaisesti sidekudos sitoo kehon soluja ja elimiä toisiinsa ja toimii kehon kaikkien osien suojana, tukena ja yhdistäjänä. Sidekudos on monimuotoinen, ja siihen kuuluvat luu, jänteet, nivelsiteet, rusto, rasva ja veri. Lihaskudos on kiihtyvää, reagoi ärsykkeeseen ja supistuu liikkeen aikaansaamiseksi, ja sitä esiintyy kolmea päätyyppiä: luurankolihakset (tahdonalainen lihas), sileä lihas ja sydämen sydänlihas. Hermokudos on myös heräteherkkää, ja se mahdollistaa sähkökemiallisten signaalien etenemisen hermoimpulssien muodossa, jotka viestivät kehon eri alueiden välillä (kuva 18.7).

Seuraava organisaatiotaso on elin, jossa kaksi tai useampi kudostyyppi yhdistyy suorittamaan tiettyjä toimintoja. Aivan kuten solujen rakenteen ja toiminnan tunteminen auttaa sinua kudosten tutkimisessa, kudosten tunteminen auttaa sinua ymmärtämään, miten elimet toimivat.

Kuva 10.7 Neljä kudostyyppiä: Elimistö Neljä kudostyyppiä ovat esimerkkinä hermokudos, kerrostunut levyepiteelikudos, sydänlihaskudos ja sidekudos ohutsuolessa. Kellon ympäri alkaen hermokudoksesta, LM × 872, LM × 282, LM × 460, LM × 800. (Mikroskooppikuvat ovat Michiganin yliopiston lääketieteellisen tiedekunnan Regents of University of Michigan Medical Schoolin toimittamia © 2012)

10.3 Ihmisen elinjärjestelmät

Elinjärjestelmä on ryhmä elimiä, jotka toimivat yhdessä suorittaakseen tärkeitä toimintoja tai vastatakseen elimistön fysiologisiin tarpeisiin. Alla olevassa kuvassa 18.8 on esitetty ihmiskehon yksitoista erillistä elinjärjestelmää. Elinten osoittaminen elinjärjestelmiin voi olla epätarkkaa, koska elimillä, jotka ”kuuluvat” yhteen järjestelmään, voi olla myös toiseen järjestelmään kiinteästi kuuluvia toimintoja. Itse asiassa useimmat elimet osallistuvat useampaan kuin yhteen järjestelmään. Tällä kurssilla käsittelemme joitakin, mutta emme kaikkia näitä elinjärjestelmiä.

Taulukossa 10.1 luetellaan 11 elinjärjestelmää, niiden osat ja toiminnot.

10.4 Homeostaasi

Ennen kuin siirrytään käsittelemään yksittäisiä elinjärjestelmiä, on tärkeää käydä läpi homeostaasin käsite. Homeostaasilla tarkoitetaan suhteellisen vakaan tilan ylläpitämistä elimistössä. Ihmisen elimet ja elinjärjestelmät sopeutuvat jatkuvasti sisäisiin ja ulkoisiin muutoksiin tämän vakaan tilan ylläpitämiseksi. Esimerkkejä homeostaasissa ylläpidettävistä sisäisistä tiloista ovat verensokeritaso, ruumiinlämpö ja veren kalsiumtaso. Nämä olosuhteet pysyvät vakaina, koska niitä kontrolloidaan negatiivisen palautteen avulla. Jos verensokeri tai kalsium nousee, tämä lähettää signaalin verensokerin tai kalsiumin alentamisesta vastaaville elimille. Signaalit, jotka palauttavat muuttujan normaalialueelle (jota kutsutaan myös asetusarvoksi), ovat esimerkkejä negatiivisesta palautteesta. Kun homeostaattiset mekanismit epäonnistuvat, ihminen sairastuu ja voi kuolla.

Homeostaasin hallinta

Kun ihmisen ympäristössä tapahtuu muutos, on tehtävä sopeutuminen. Reseptori (usein neuroni) aistii ympäristössä tapahtuvan muutoksen ja lähettää sitten signaalin ohjauskeskukseen (useimmiten aivoihin), joka puolestaan tuottaa vasteen, josta annetaan signaali efektorille, joka palauttaa säädellyn muuttujan takaisin normaalialueelle. Vaikuttaja on lihas (joka supistuu tai rentoutuu) tai rauhanen, joka erittää. Homeostaattisuutta ylläpidetään negatiivisten takaisinkytkentöjen avulla. Positiiviset takaisinkytkennät itse asiassa vievät organismin kauemmas homeostaasista, mutta ne voivat olla välttämättömiä, jotta elämä voi jatkua. Homeostaasia säätelevät hermo- ja hormonijärjestelmä.

Negatiiviset takaisinkytkentämekanismit

Jokainen homeostaattinen prosessi, joka muuttaa ärsykkeen suuntaa takaisin kohti normaalia aluetta, on negatiivinen takaisinkytkentä. Se voi joko lisätä tai vähentää ärsykettä, mutta ärsyke ei saa jatkua samanlaisena kuin ennen kuin reseptori havaitsi sen. Toisin sanoen, jos taso on liian korkea, elimistö tekee jotain sen laskemiseksi, ja päinvastoin, jos taso on liian matala, elimistö tekee jotain sen nostamiseksi. Tästä johtuu termi negatiivinen palaute. Esimerkkinä voidaan mainita veren glukoosipitoisuuden ylläpito. Kun ihminen on syönyt, verensokeritaso nousee. Haiman erikoistuneet solut aistivat tämän, ja hormonijärjestelmä vapauttaa insuliinihormonia. Insuliini saa veren glukoosipitoisuuden laskemaan, kuten negatiivisessa palautejärjestelmässä olisi odotettavissa, kuten kuvassa 18.9 on esitetty. Jos henkilö ei kuitenkaan ole syönyt ja veren glukoosipitoisuus laskee, haiman toinen soluryhmä havaitsee tämän, ja glukagonihormoni vapautuu aiheuttaen glukoosipitoisuuden nousun. Tämä on edelleen negatiivinen takaisinkytkentä, mutta ei siihen suuntaan, jota termin ”negatiivinen” käyttö edellyttää. Negatiiviset takaisinkytkentäsilmukat ovat vallitseva mekanismi, jota käytetään homeostaasin ylläpitämiseen.

Kuva 10.9 Veren glukoosipitoisuutta säädellään negatiivisen takaisinkytkennän avulla. (luotto: Jon Sullivanin työn muokkaus)

Lämpösäätely

Toinen esimerkki negatiivisen palautteen käytöstä homeostaasin ylläpitämisessä on lämpösäätely. Eläimiä, kuten ihmistä, jotka pitävät ruumiinlämpönsä vakiona ympäristön eri lämpötiloissa, kutsutaan endotermisiksi. Pystymme ylläpitämään tätä lämpötilaa tuottamalla sisäistä lämpöä (aineenvaihdunnan kemiallisten solureaktioiden jätetuotetta), joka pitää soluprosessit optimaalisesti toiminnassa myös silloin, kun ympäristö on kylmä.

Sisäelimissä, selkärangassa ja aivoissa olevat termoreseptorit (jotka koostuvat neuroneista) lähettävät tietoa ruumiinlämpötilasta aivoissa olevassa hypotalamuksessa sijaitsevaan ohjauskeskukseen. Hypotalamus toimii kehon termostaattina ja voi nostaa tai laskea kehon lämpötilaa pitääkseen sen normaalialueella (noin 98,6 ºF eli 37 ºC). Jos ruumiinlämpö on normaalia korkeammalla, hypotalamus lähettää signaaleja hikirauhasille hikoilun aikaansaamiseksi ja ihon verisuonia ympäröiville sileille lihaksille verisuonten laajentamiseksi. Vasodilataatio eli ihoon johtavien valtimoiden avautuminen niiden sileän lihaksen rentoutuessa tuo enemmän verta ja lämpöä kehon pinnalle, mikä helpottaa lämmönhukkaa ja jäähdyttää kehoa. Sitä vastoin, jos kehon lämpötila on normaalia alhaisempi, hypotalamus käskee luurankolihaksia supistumaan ja aiheuttamaan värinää, joka tuottaa kehon lämpöä. Signaaleja lähetetään myös ihon verisuonia ympäröiville sileille lihaksille, jotka aiheuttavat verisuonten supistumista. Vasokonstriktio, ihon verisuonten kaventuminen niiden sileän lihaksen supistumisen kautta, vähentää veren virtausta perifeerisissä verisuonissa ja pakottaa veren kohti ydintä ja elintärkeitä elimiä, mikä säästää lämpöä.

Kehonlämmön normaali vaihteluväli (asetusarvo) voi muuttua infektion aikana. Jotkin immuunijärjestelmän solut vapauttavat pyrogeeneiksi kutsuttuja kemikaaleja, jotka saavat hypotalamuksen nollaamaan ruumiinlämmön normaalialueen korkeammalle arvolle, mikä johtaa kuumeeseen. Kehon lämmön nousu tekee kehosta vähemmän optimaalisen bakteerien kasvulle ja lisää immuunijärjestelmän solujen toimintaa, joten ne pystyvät paremmin taistelemaan infektiota vastaan.

positiivinen takaisinkytkentä

Positiivinen takaisinkytkentä työntää säädeltyä muuttujaa kauemmas normaaliarvosta. Positiivista takaisinkytkentää ei usein käytetä elimistössä, mutta sitä käytetään veren hyytymisessä, aivastuksessa ja hermosignaalien tuottamisessa. Toinen esimerkki positiivisesta takaisinkytkennästä on kohdun supistuminen synnytyksen aikana, kuten kuvassa 18.11 on esitetty. Hormoni oksitosiini, jota hormonijärjestelmä tuottaa, stimuloi kohdun supistumista. Tämä työntää vauvan päätä kohti kohdunkaulaa ja venyttää sitä. Venynyt kohdunkaula lähettää aivoissa sijaitsevalle aivolisäkkeelle signaalin vapauttaa lisää oksitosiinia. Lisääntynyt oksitosiini aiheuttaa voimakkaampia kohdun supistuksia, jotka työntävät vauvaa syvemmälle kohdunkaulaan ja venyttävät sitä edelleen. Lisääntynyt oksitosiinin vapautuminen, voimakkaammat kohdunsupistukset ja kohdunkaulan venyminen entisestään jatkuvat, kunnes vauva on synnytetty ja positiivinen takaisinkytkentäsilmukka kytkeytyy pois päältä, koska kohdunkaulaa ei enää venytetä yhtä paljon.

Kuva 10.11 Ihmisen lapsen syntymä on positiivisen palautteen tulos. (luotto: Openstax Biology 2e)

Adapted from Openstax Human Biology and Biology 2e