A biológia egyik átfogó témája, hogy a szerkezet határozza meg a funkciót; az, hogy valami hogyan van elrendezve, lehetővé teszi, hogy egy adott feladatot ellásson. Ezt a biológiai szerveződés hierarchiájának minden szintjén látjuk, az atomoktól kezdve egészen a bioszféráig. Nézzünk néhány példát, ahol a szerkezet határozza meg a funkciót.

• Molekuláris szint – fehérjék. A fehérje alakja (szerkezete) határozza meg a funkcióját. A fehérjéknek például két alapvető formája van: rostos és gömbölyded (kerek). A rostos fehérjék, mint például a kollagén (18.1. ábra), kötél alakúak, és a bőrünknek adnak erőt, hogy megakadályozzák annak szakadását. A rostos fehérjék szerkezeti fehérjék, mert segítenek formát adni és megtámasztani a bőrt. A gömbszerű fehérjék, mint például a hemoglobin (18.2. ábra), az oxigén szállítására szolgálnak a vérben. Más példák a különböző funkciójú globuláris fehérjékre az enzimek (katalizálják vagy felgyorsítják a kémiai reakciókat a szervezetben) és a plazmamembránfehérjék (képesek anyagokat szállítani a sejtmembránon keresztül, szerepet játszanak a sejtkommunikációban, enzimként működnek, vagy segítenek azonosítani a sejtet a test többi részével).

• Sejtszint – vázizomsejtek. A vázizomsejtek szerkezete lehetővé teszi számukra az összehúzódás funkcióját, ami lehetővé teszi számunkra a mozgást. Például a biceps brachii izmot alkotó vázizomsejtek inakkal kapcsolódnak a felkarcsont mindkét végéhez, és tele vannak összehúzódó fehérjékkel (aktin és miozin) (18.3. ábra). Amikor a kontraktilis fehérjék összehúzódnak, megrövidítik az izomsejtet, amely ezután a felkarcsont végeit húzza, és lehetővé teszi, hogy hajlítsa az alkarját (18.4. ábra).

• Egyéni szint (anatómia és élettan). Az ember tanulmányozása során az anatómia a test felépítésének tanulmányozása (pl. hol található a quadricepsz izom), a fiziológia pedig a test működésének tanulmányozása (pl. hogyan húzódik össze a quadricepsz izom). Nézzük meg a szív anatómiáját, amely a szív működését diktálja. A szív négy üreges kamrából (pitvarokból és kamrákból) áll, és szívizomsejtekből épül fel (18.5. ábra). Ez a szerkezet teszi lehetővé, hogy a szívnek az a funkciója, hogy a vért pumpálja a testben. Ha a szív szerkezete megváltozik (pl. néhány szívkamra megnyúlik vagy kitágul), akkor a szív funkciója csökken, mivel a szív már nem tud annyi vért pumpálni, ami végül szívelégtelenséget okoz.

• Ökoszisztéma szintje. Az ökoszisztéma egy adott földrajzi területen élő összes különböző faj közösségéből, valamint az összes nem élő összetevőből (pl. víz, homok, fény, oxigén) áll. Ha megnézzük egy korallzátony ökoszisztéma felépítését, azt látjuk, hogy a korallok, amelyek az alapfajok, védelmet és élőhelyet biztosítanak a többi fajnak (18.6. ábra). A korallzátony megvédi a többi fajt, például a halakat az óceáni hullámoktól és áramlatoktól, és helyet biztosít számukra, ahol elrejtőzhetnek a ragadozók elől.

10.2 Az emberi szövettípusok

A szövet kifejezéssel a szervezetben együtt található hasonló sejtek csoportját jelöljük, amelyek meghatározott funkciók ellátása érdekében együtt működnek. Evolúciós szempontból a szövetek az összetettebb szervezetekben jelennek meg.

Bár az emberi szervezetben sokféle sejttípus létezik, ezek négy szövetkategóriába rendeződnek: hámszövet, kötőszövet, izom és idegszövet. Mindegyik kategóriára sajátos funkciók jellemzőek, amelyek hozzájárulnak a szervezet általános egészségéhez és fenntartásához. Egy szövet szerkezetének zavara sérülés vagy betegség jele. Az ilyen változások a szövettannal, a szövetek megjelenésének, szerveződésének és működésének mikroszkópos vizsgálatával mutathatók ki.

A szövetek négy típusa

A hámszövet, más néven epithel, a test külső felületeit borító, a belső üregeket és járatokat kibélelő, valamint bizonyos mirigyeket alkotó sejtlapokra utal. A hámszövetek közé tartozik például a bőr, a nyálkahártyák, az endokrin mirigyek és a verejtékmirigyek. A kötőszövet, ahogy a neve is mutatja, összeköti a test sejtjeit és szerveit, és a test minden részének védelmét, támogatását és integrálását szolgálja. A kötőszövet sokféle, és magában foglalja a csontot, az inakat, a szalagokat, a porcot, a zsírt és a vért. Az izomszövet gerjeszthető, ingerlésre reagál és összehúzódik, hogy mozgást biztosítson, és három fő típusban fordul elő: vázizomzat (akaratlagos), simaizomzat és szívizomzat a szívben. Az idegszövet szintén gerjeszthető, lehetővé téve az elektrokémiai jelek terjedését idegimpulzusok formájában, amelyek a test különböző területei között kommunikálnak (18.7. ábra).

A szerveződés következő szintje a szerv, ahol két vagy több szövettípus egyesül, hogy meghatározott funkciókat lásson el. Ahogy a sejtek szerkezetének és működésének ismerete segít a szövetek tanulmányozásában, úgy a szövetek ismerete segít megérteni a szervek működését.

10.7. ábra A szövetek négy típusa: Test A szövetek négy típusát az idegszövet, a réteges lemezes hámszövet, a szívizomszövet és a kötőszövet példázza a vékonybélben. Az óramutató járásával megegyező irányban az idegszövet, LM × 872, LM × 282, LM × 460, LM × 800. (A mikroszkópiákat a Michigani Egyetem Orvosi Karának rektorai bocsátották rendelkezésre © 2012)

10.3. Emberi szervrendszerek

A szervrendszer olyan szervek csoportja, amelyek együttesen működnek a szervezet főbb funkcióinak ellátása vagy élettani szükségleteinek kielégítése érdekében. Az alábbi 18.8. ábra az emberi test tizenegy különböző szervrendszerét mutatja be. A szervek szervrendszerekhez való hozzárendelése pontatlan lehet, mivel az egyik rendszerhez “tartozó” szervek egy másik rendszer szerves részét képező funkciókkal is rendelkezhetnek. Valójában a legtöbb szerv egynél több rendszerhez is hozzájárul. Ebben a kurzusban néhány, de nem az összes ilyen szervrendszert tárgyaljuk.

Az alábbi 10.1. táblázat a 11 szervrendszert, azok összetevőit és funkcióit sorolja fel.

10.4 Homeosztázis

Mielőtt rátérnénk az egyes szervrendszerek tárgyalására, fontos áttekinteni a homeosztázis fogalmát. A homeosztázis egy viszonylag stabil állapot fenntartására utal a szervezeten belül. Az emberi szervek és szervrendszerek folyamatosan alkalmazkodnak a belső és külső változásokhoz, hogy ezt a stabil állapotot fenntartsák. A homeosztázisban fenntartott belső állapotokra példa a vércukorszint, a testhőmérséklet és a vér kalciumszintje. Ezek az állapotok a negatív visszacsatolás általi szabályozás miatt maradnak stabilak. Ha a vércukorszint vagy a kalciumszint emelkedik, az jelzést küld a vércukorszint vagy a kalciumszint csökkentéséért felelős szerveknek. Azok a jelek, amelyek visszaállítják a változót a normál tartományba (más néven a beállított pontra), példák a negatív visszacsatolásra. Ha a homeosztatikus mechanizmusok nem működnek, a személy megbetegszik, és akár meg is halhat.

A homeosztázis szabályozása

Amikor egy személy környezetében változás következik be, alkalmazkodni kell. Egy receptor (gyakran egy neuron) érzékeli a környezet változását, majd jelet küld a vezérlőközpontnak (a legtöbb esetben az agynak), amely viszont választ generál, amelyet egy effektornak jelez, amely a szabályozott változót visszaállítja a normál tartományba. Az effektor egy izom (amely összehúzódik vagy elernyed) vagy egy mirigy, amely kiválaszt. A homeosztatizmust negatív visszacsatolási hurkok tartják fenn. A pozitív visszacsatolási hurkok valójában a szervezetet még jobban kilökik a homeosztázisból, de szükségesek lehetnek az élethez. A homeosztázist az idegrendszer és az endokrin rendszer szabályozza.

Negatív visszacsatolási mechanizmusok

Minden olyan homeosztatikus folyamat, amely az inger irányát a normál tartomány felé változtatja vissza, negatív visszacsatolási huroknak számít. Ez növelheti vagy csökkentheti az ingert, de az inger nem folytatódhat ugyanúgy, mint a receptor érzékelése előtt. Más szóval, ha egy szint túl magas, a szervezet tesz valamit annak érdekében, hogy lejjebb vigye, és fordítva, ha egy szint túl alacsony, a szervezet tesz valamit annak érdekében, hogy feljebb vigye. Innen ered a negatív visszacsatolás kifejezés. Erre példa a vércukorszint fenntartása. Miután az ember evett, a vércukorszint megemelkedik. A hasnyálmirigy speciális sejtjei ezt érzékelik, és az endokrin rendszer inzulint szabadít fel. Az inzulin hatására a vércukorszint csökken, ahogy az egy negatív visszacsatolású rendszerben elvárható lenne, amint azt a 18.9. ábra szemlélteti. Ha azonban az ember nem evett, és a vércukorszint csökken, ezt a hasnyálmirigy egy másik sejtcsoportja érzékeli, és a glükagon hormon szabadul fel, ami a glükózszint emelkedését okozza. Ez még mindig egy negatív visszacsatolási hurok, de nem abba az irányba, amit a “negatív” kifejezés használata elvár. A negatív visszacsatolási hurok a homeosztázis fenntartásának uralkodó mechanizmusa.

10.9. ábra A vércukorszintet negatív visszacsatolási hurok szabályozza. (hitel: Jon Sullivan munkájának módosítása)

Thermoreguláció

A negatív visszacsatolás homeosztázis fenntartására való használatának másik példája a termoreguláció. Azokat az állatokat, például az embert, amelyek az eltérő környezeti hőmérséklet mellett is állandó testhőmérsékletet tartanak fenn, endotermeknek nevezzük. Ezt a hőmérsékletet úgy tudjuk fenntartani, hogy belső hőt termelünk (az anyagcsere sejtkémiai reakcióinak hulladékterméke), amely a sejtfolyamatokat akkor is optimálisan működteti, ha a környezet hideg.

A belső szervekben, a gerincben és az agyban található (neuronokból álló) termoreceptorok információt küldenek a testhőmérsékletről az agyban lévő hipotalamuszban lévő irányítóközpontnak. A hipotalamusz a test termosztátjaként működik, és képes emelni vagy csökkenteni a testhőmérsékletet, hogy azt a normál tartományban (kb. 98,6 ºF vagy 37 ºC) tartsa. Ha a testhőmérséklet a normál tartomány fölé emelkedik, a hipotalamusz jeleket küld a verejtékmirigyeknek, hogy izzadást, illetve a bőrben lévő erek körüli simaizmoknak, hogy értágulást okozzon. Az értágulat, vagyis az artériák megnyitása a bőr felé a simaizmok ellazulása révén, több vért és hőt juttat a test felszínére, megkönnyítve a hőveszteséget és hűtve a testet. Ezzel szemben, ha a testhőmérséklet a normális tartomány alatt van, a hipotalamusz utasítja a vázizmokat, hogy húzódjanak össze, hogy reszketést okozzanak, ami testhőt termel. A bőrben lévő erek körüli simaizmoknak is jeleket küldenek, hogy érösszehúzódást okozzanak. A vazokonstrikció, a bőrhöz vezető erek szűkülése a simaizmok összehúzódása révén csökkenti a véráramlást a perifériás erekben, a vért a mag és a létfontosságú szervek felé kényszeríti, és így megőrzi a hőt.

A testhőmérséklet normál tartománya (beállítási pontja) megváltozhat a fertőzés során. Az immunrendszer egyes sejtjei pirogéneknek nevezett vegyi anyagokat bocsátanak ki, amelyek hatására a hipotalamusz a testhőmérséklet normál tartományát magasabb értékre állítja vissza, ami lázat eredményez. A testhőmérséklet növekedése kevésbé teszi optimálissá a testet a baktériumok szaporodásához, és fokozza az immunrendszer sejtjeinek aktivitását, így azok jobban le tudják küzdeni a fertőzést.

Pozitív visszacsatolás

A pozitív visszacsatolás a szabályozott változót tovább tolja a normál tartománytól. A pozitív visszacsatolást a szervezetben nem gyakran használják, de a véralvadásban, a tüsszentésben és az idegjelek generálásában igen. A pozitív visszacsatolás másik példája a méhösszehúzódások a szülés során, amint azt a 18.11. ábra szemlélteti. Az endokrin rendszer által termelt oxitocin hormon serkenti a méh összehúzódását. Ez a baba fejét a méhnyak felé nyomja, megnyújtva azt. A megnyúlt méhnyak jelet küld az agyban lévő agyalapi mirigynek, hogy több oxitocint szabadítson fel. A megnövekedett oxitocin erősebb méhösszehúzódásokat okoz, amelyek tovább nyomják a babát a méhnyakba, tovább feszítve azt. Az oxitocin fokozott felszabadulása, az erősebb méhösszehúzódások és a méhnyak további megnyúlása addig folytatódik, amíg a baba meg nem születik, és a pozitív visszacsatolás ki nem kapcsol, mert a méhnyak már nem feszül annyira.

10.11. ábra Az emberi csecsemő születése pozitív visszacsatolás eredménye. (hitel: Openstax Biology 2e)

Az Openstax Human Biology and Biology 2e