構造と機能のバイオコンセプトの学習目標。
- 自然界における構造（形）と機能の密接な関係をいくつかのレベルで示し、例を挙げることができるようになる。
- 分子・細胞（タンパク質と細胞の種類）
個体（解剖学と生理学）
個体群レベル以上（生態系）
- 各組織タイプの主要な例を示す、または認識する
- 組織がどのように器官やシステムに組織化されているかを要約する
- 11の器官システム、その構成要素とその機能を列挙することができます。
- 生物がその内部環境において、どのように、そしてなぜ恒常性を維持しなければならないかを説明できる。
生物学の包括的なテーマの1つは、構造が機能を決定する、何かがどう配置されることによって特定の仕事を行うことができるようになる、というものです。 これは、原子から生物圏に至るまで、生物学的組織の階層におけるすべてのレベルで見受けられます。 ここでは、構造が機能を決定するいくつかの例を見てみましょう。 タンパク質の形（構造）はその機能を決定する。 例えば、タンパク質の基本的な形には、繊維状と球状（丸い）の2種類があります。 コラーゲン（図18.1）のような繊維状のタンパク質は、ロープのような形をしていて、私たちの皮膚が破れないように強度を与えている。 繊維状タンパク質は、皮膚の形を整え、支える働きがあるため、構造タンパク質と呼ばれる。 ヘモグロビン（図18.2）のような球状タンパク質は、血液中で酸素を運搬するために使用される。 他の球状タンパク質の例としては、酵素（体内の化学反応を触媒または促進する）および細胞膜タンパク質（細胞膜を越えて物質を輸送することができる、細胞通信に役割を果たす、酵素として働く、または細胞を体の他の部分と識別するのに役立つ）、異なる機能を有する
- 細胞レベル-骨格筋の細胞。 骨格筋細胞は、その構造から収縮という機能を持ち、それによって私たちは動くことができる。 例えば、上腕二頭筋を構成する骨格筋細胞は、上腕骨の両端に腱で取り付けられていて、収縮タンパク質（アクチンとミオシン）がたくさん詰まっています（図18.3）。 収縮タンパク質が収縮すると、筋細胞が短くなり、上腕骨の両端が引っ張られて、前腕を曲げることができる（図18.4）
- 個人レベル（解剖学と生理学）。 人間を研究する上で、解剖学は体の構造（ex-大腿四頭筋の位置）を、生理学は体の機能（ex-大腿四頭筋がどのように収縮するか）を研究する学問である。 それでは、心臓の機能を決定する心臓の解剖学的構造を見てみましょう。 心臓は4つの空洞の部屋（心房と心室）からなり、心筋細胞でできている（図18.5）。 この構造により、心臓は血液を体中に送り出す機能を持つ。 心臓の構造が変化すると（例：心室の一部が伸びたり拡張したりする）、心臓は多くの血液を送り出せなくなるため機能が低下し、やがてうっ血性心不全を引き起こすことになる。
- 生態系のレベル。 生態系は、特定の地域に住むすべての異なる種のコミュニティと、すべての非生物的要素（ex-水、砂、光、酸素）で構成されています。 サンゴ礁の生態系の構造を見ると、基盤種であるサンゴが他の種に保護と生息地を提供していることがわかります（図18.6）。 サンゴ礁は、魚などの他の種を海の波や流れから守り、捕食者から隠れる場所を提供しています。
10.2 人間の組織の種類
組織とは、特定の機能を果たすためにともに作用する体内一緒に見られる同様の細胞の群を示すために使用される言葉です。 進化の観点からは、組織はより複雑な生物に現れる。
人体には多くの種類の細胞があるが、それらは上皮、結合、筋肉、神経という4つの組織のカテゴリーに整理されている。 これらのカテゴリーはそれぞれ、身体全体の健康と維持に貢献する特定の機能によって特徴づけられています。 組織の構造が破壊されることは、損傷や病気の兆候である。 このような変化は、組織の外観、組織、および機能の顕微鏡的研究である組織学によって検出することができます。 上皮組織には、皮膚、粘膜、内分泌腺、汗腺などが含まれます。 結合組織は、その名の通り、体内の細胞や臓器を結合し、体のあらゆる部位の保護、支持、統合に機能しています。 結合組織には、骨、腱、靭帯、軟骨、脂肪、血液など、さまざまなものがあります。 筋組織は興奮性で、刺激に反応して収縮して運動を行う。骨格筋（随意筋）、平滑筋、心臓の心筋の3種類に大別される。 神経組織も興奮性で、神経インパルスという電気化学信号の伝搬を可能にし、体のさまざまな部位間でコミュニケーションをとる（図18.7）。 細胞の構造と機能を知ることが組織の研究に役立つように、組織の知識は臓器の機能を理解するのに役立ちます。
10.3 ヒトの臓器系
臓器系とは、主要な機能を果たすため、あるいは身体の生理的な必要を満たすために協働する臓器のグループである。 下の図18.8は、人体における11の異なる器官系を示しています。 ある器官系に “属する “器官が、別の器官系に不可欠な機能を持つこともあるため、器官を器官系に割り当てるのは不正確な場合がある。 実際、ほとんどの臓器は、2つ以上の器官系に属しています。 このコースでは、これらの器官系のすべてではなく、いくつかについて説明します。
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以下の表10.1に、11の器官系とその構成要素、および機能の一覧を示します。
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10.4 ホメオスタシス
個々の器官系の説明に移る前に、ホメオスタシスの概念を復習しておくことが重要である。 ホメオスタシスとは、体内が比較的安定した状態に保たれていることを指す。 人間の臓器や器官系は、この安定した状態を維持するために、常に内外の変化に適応しています。 恒常性が保たれている体内の状態の例としては、血糖値、体温、血中カルシウム濃度などがあります。 これらの状態が安定に保たれているのは、負のフィードバックによる制御が行われているからです。 血糖値やカルシウムが上昇すると、血糖値やカルシウムを下げる役割を担う器官に信号が送られます。 変数を正常な範囲（設定点ともいう）に戻す信号が、負のフィードバックの例である。 7307>
ホメオスタシスの制御
人の環境に変化が生じた場合、調整を行う必要がある。 受容体（多くの場合ニューロン）が環境の変化を感知し、制御中枢（ほとんどの場合、脳）に信号を送り、制御中枢が反応を起こして効果器に信号を送り、調節された変数を正常な範囲に戻す。 エフェクターとは、筋肉（収縮または弛緩）や分泌腺などのことです。 恒常性は、負のフィードバックループによって維持される。 正のフィードバックループは、実際には生物をさらに恒常性から遠ざけてしまいますが、生命維持のためには必要なことかもしれません。 ホメオスタシスは神経系と内分泌系によって制御されている。
負のフィードバック機構
刺激の方向を正常範囲に戻すあらゆる恒常性維持過程は、負のフィードバックループである。 それは刺激を増加させるか減少させるかのどちらかであるが、受容体が感知する前のように刺激を継続させることはできない。 つまり、あるレベルが高すぎれば、体はそれを下げるために何かをし、逆にレベルが低すぎれば、体はそれを上げるために何かをするのです。 そのため、ネガティブフィードバックという言葉があります。 例えば、血糖値の維持がそうである。 人が食事をした後、血糖値が上昇します。 膵臓にある特殊な細胞がこれを感知し、内分泌系からインスリンというホルモンが分泌される。 インスリンは、図18.9に示すように、負のフィードバックシステムで予想されるように、血糖値を低下させる。 しかし、食事をとらずに血糖値が下がると、それを膵臓の別の細胞群が感知し、グルカゴンというホルモンが分泌されて血糖値が上昇する。 これも負のフィードバックループだが、”負の “という言葉から想像されるような方向性ではない。 7307>
体温調節
恒常性の維持に負のフィードバックが使われているもう一つの例は体温調節である。 人間のように、環境温度が異なる中で体温を一定に保つ動物を内温動物という。 環境が冷たくても、細胞プロセスを最適に動作させ続ける内部熱（代謝の細胞化学反応による廃棄物）を生成することで、この体温を維持できる。
内臓、脊椎、脳にある体温受容器（ニューロンでできている）は、体温に関する情報を脳の視床下部の制御中枢に送る。 視床下部は体のサーモスタットとして働き、体温を上げたり下げたりして正常な範囲（約98.6℃または37℃）に保つことができます。 体温が正常範囲を超えると、視床下部は汗腺に信号を送って発汗させ、皮膚の血管周囲の平滑筋に信号を送って血管拡張を起こします。 血管拡張とは、皮膚への動脈が平滑筋の弛緩によって開かれることで、より多くの血液と熱が体表に運ばれ、熱の損失が促進され、体が冷やされることです。 逆に、体温が正常範囲より低くなると、視床下部は骨格筋に収縮を指令して震えを起こさせ、体温を発生させる。 また、皮膚の血管の周りの平滑筋にも信号が送られ、血管収縮が起こります。 血管収縮とは、皮膚につながる血管の平滑筋の収縮によって、末梢血管の血流を減らし、血液を心臓や重要な臓器に押しやり、熱を保存することです。
体温の正常範囲（セットポイント）は、感染症のときに変化することがあります。 免疫系細胞の一部がパイロジェンと呼ばれる化学物質を放出し、視床下部が体温の正常範囲を高い値にリセットするため、発熱が起こります。 体温が上昇することで、細菌の増殖に最適でなくなり、免疫系細胞の活動が活発になって、感染症に対抗できるようになります。
陽のフィードバック
正のフィードバックループは調節対象の変数を正常範囲からさらに押し広げます。 正のフィードバックは体内ではあまり使用されませんが、血液凝固、くしゃみ、神経信号の生成などで使用されています。 図18.11に示すように、正帰還のもう一つの例として、出産時の子宮収縮がある。 内分泌系で作られるオキシトシンというホルモンは、子宮の収縮を刺激する。 これにより、赤ちゃんの頭が子宮頸管の方に押し出され、子宮頸管が伸びる。 伸びた子宮頸管は、脳の下垂体に信号を送り、オキシトシンをより多く分泌させます。 オキシトシンの増加により子宮収縮が強くなり、赤ちゃんがさらに子宮頸管の中に押し込まれ、子宮頸管がさらに引き伸ばされます。 オキシトシンの放出が増え、子宮収縮が強くなり、子宮頸部がさらに引き伸ばされることは、赤ちゃんが出産され、子宮頸部がそれほど引き伸ばされなくなり、正のフィードバックのループがオフになるまで続く