Jednym z nadrzędnych tematów biologii jest to, że struktura determinuje funkcję; to, jak coś jest zorganizowane, pozwala na wykonywanie określonej pracy. Widzimy to na wszystkich poziomach w hierarchii organizacji biologicznej, od atomów aż po biosferę. Przyjrzyjmy się kilku przykładom, gdzie struktura determinuje funkcję.

• Poziom molekularny – białka. Kształt (struktura) białka determinuje jego funkcję. Na przykład, istnieją dwa podstawowe kształty dla białek: włókniste i globularne (okrągłe). Białka włókniste, takie jak kolagen (rysunek 18.1), mają kształt liny i nadają wytrzymałość naszej skórze, zapobiegając jej rozdarciu. Białka włókniste są białkami strukturalnymi, ponieważ pomagają nadać kształt i podtrzymują skórę. Białka globularne, takie jak hemoglobina (rysunek 18.2), są wykorzystywane do transportu tlenu we krwi. Inne przykłady białek globularnych, które pełnią różne funkcje, to enzymy (katalizują lub przyspieszają reakcje chemiczne w organizmie) i białka błony plazmatycznej (mogą transportować substancje przez błonę komórkową, odgrywają rolę w komunikacji komórkowej, działają jako enzymy lub pomagają w identyfikacji komórki z resztą ciała).

• Poziom komórkowy – komórki mięśni szkieletowych. Budowa komórek mięśni szkieletowych pozwala im na pełnienie funkcji skurczu, co umożliwia nam poruszanie się. Na przykład, komórki mięśni szkieletowych tworzące mięsień dwugłowy ramienia są przymocowane do obu końców kości ramiennej za pomocą ścięgien i są wypełnione białkami kurczliwymi (aktyną i miozyną) (rysunek 18.3). Kiedy białka kurczliwe kurczą się, skracają komórkę mięśniową, która następnie pociąga za końce kości ramiennej i umożliwia zgięcie przedramienia (Rysunek 18.4).

• Poziom indywidualny (anatomia i fizjologia). W badaniu ludzi, anatomia jest badaniem struktury ciała (np. gdzie znajduje się mięsień czworogłowy), a fizjologia jest badaniem funkcjonowania ciała (np. jak mięsień czworogłowy się kurczy). Przyjrzyjmy się anatomii serca, która dyktuje jego funkcję. Serce składa się z czterech pustych komór (przedsionków i komór) i zbudowane jest z komórek mięśnia sercowego (rysunek 18.5). Dzięki takiej budowie serce może pełnić funkcję pompowania krwi do organizmu. Jeśli struktura serca zmienia się (niektóre komory serca stają się rozciągnięte lub poszerzone), wówczas funkcja serca zmniejsza się, ponieważ serce nie może już pompować tyle krwi, co w końcu powoduje zastoinową niewydolność serca.

• Poziom ekosystemu. Ekosystem składa się ze społeczności wszystkich różnych gatunków żyjących w danym obszarze geograficznym, jak również wszystkich składników nieożywionych (ex woda, piasek, światło, tlen). Jeśli przyjrzymy się strukturze ekosystemu rafy koralowej, zobaczymy, że koralowce, które są gatunkiem podstawowym, zapewniają ochronę i siedlisko dla innych gatunków (Rysunek 18.6). Rafa koralowa chroni inne gatunki, takie jak ryby, przed falami i prądami oceanicznymi oraz daje im miejsce do ukrycia się przed drapieżnikami.

10.2 Typy tkanek człowieka

Terminem tkanka określa się grupę podobnych komórek występujących razem w organizmie, które działają wspólnie w celu pełnienia określonych funkcji. Z perspektywy ewolucji, tkanki pojawiają się w bardziej złożonych organizmach.

Ale istnieje wiele typów komórek w ludzkim ciele, są one zorganizowane w cztery kategorie tkanek: nabłonkowe, łączne, mięśniowe i nerwowe. Każda z tych kategorii charakteryzuje się specyficznymi funkcjami, które przyczyniają się do ogólnego zdrowia i utrzymania ciała. Zaburzenie struktury tkanki jest oznaką urazu lub choroby. Takie zmiany można wykryć poprzez histologię, mikroskopowe badanie wyglądu tkanki, organizacji i funkcji.

Cztery rodzaje tkanek

Tkanka nabłonkowa, zwana również nabłonkiem, odnosi się do arkuszy komórek, które pokrywają zewnętrzne powierzchnie ciała, linie wewnętrznych jam i przejść oraz tworzą pewne gruczoły. Przykładami tkanki nabłonkowej są skóra, błony śluzowe, gruczoły dokrewne i gruczoły potowe. Tkanka łączna, jak sama nazwa wskazuje, wiąże komórki i narządy ciała razem i funkcjonuje w ochronie, wsparciu i integracji wszystkich części ciała. Tkanka łączna jest zróżnicowana i obejmuje kości, ścięgna, więzadła, chrząstki, tłuszcz i krew. Tkanka mięśniowa jest pobudliwa, reaguje na stymulację i kurczy się, aby zapewnić ruch, i występuje jako trzy główne typy: mięśnie szkieletowe (dobrowolne), mięśnie gładkie i mięśnie sercowe w sercu. Tkanka nerwowa jest również pobudliwa, umożliwiając propagację sygnałów elektrochemicznych w postaci impulsów nerwowych, które komunikują się między różnymi regionami ciała (rysunek 18.7).

Następnym poziomem organizacji jest organ, gdzie dwa lub więcej rodzajów tkanek spotykają się w celu wykonywania określonych funkcji. Tak jak znajomość struktury i funkcji komórek pomaga w badaniu tkanek, tak wiedza o tkankach pomoże zrozumieć funkcjonowanie narządów.

Rysunek 10.7 Cztery typy tkanek: Ciało Przykładem czterech typów tkanek są: tkanka nerwowa, tkanka nabłonka płaskiego warstwowego, tkanka mięśniowa serca i tkanka łączna w jelicie cienkim. Zgodnie z ruchem wskazówek zegara od tkanki nerwowej, LM × 872, LM × 282, LM × 460, LM × 800. (Mikrografy dostarczone przez Regents of University of Michigan Medical School © 2012)

10.3 Układy narządów człowieka

Układ narządów to grupa narządów, które współpracują ze sobą w celu wykonywania głównych funkcji lub zaspokajania potrzeb fizjologicznych organizmu. Rysunek 18.8 poniżej przedstawia jedenaście odrębnych układów narządów w organizmie człowieka. Przypisywanie narządów do układów narządów może być nieprecyzyjne, ponieważ narządy, które „należą” do jednego układu, mogą również pełnić funkcje integralnie związane z innym układem. W rzeczywistości, większość narządów ma udział w więcej niż jednym układzie. W tym kursie omówimy niektóre, ale nie wszystkie z tych układów narządów.

W tabeli 10.1 poniżej wymieniono 11 układów narządów, ich części składowe i funkcje.

10.4 Homeostaza

Przed przejściem do omawiania poszczególnych układów narządów, ważne jest zapoznanie się z pojęciem homeostazy. Homeostaza odnosi się do utrzymania względnie stabilnego stanu wewnątrz organizmu. Ludzkie narządy i układy narządów nieustannie dostosowują się do wewnętrznych i zewnętrznych zmian, aby utrzymać ten stały stan. Przykładami warunków wewnętrznych utrzymywanych w homeostazie są poziom glukozy we krwi, temperatura ciała i poziom wapnia we krwi. Warunki te pozostają stabilne dzięki kontroli za pomocą ujemnego sprzężenia zwrotnego. Jeśli poziom glukozy lub wapnia we krwi wzrasta, wysyła to sygnał do narządów odpowiedzialnych za obniżenie poziomu glukozy lub wapnia we krwi. Sygnały, które przywracają zmienną do normalnego zakresu (zwanego również punktem nastawienia) są przykładami ujemnego sprzężenia zwrotnego. Kiedy mechanizmy homeostatyczne zawodzą, osoba choruje i może umrzeć.

Kontrola homeostazy

Gdy zmiana następuje w środowisku osoby, musi nastąpić dostosowanie. Receptor (często neuron) wyczuwa zmianę w środowisku, następnie wysyła sygnał do centrum kontroli (w większości przypadków, mózgu), który z kolei generuje odpowiedź, która jest sygnalizowana do efektora, który przywraca regulowaną zmienną z powrotem do normalnego zakresu. Efektorem jest mięsień (który kurczy się lub rozluźnia) lub gruczoł, który wydziela. Homeostaza jest utrzymywana przez pętle ujemnego sprzężenia zwrotnego. Pętle dodatniego sprzężenia zwrotnego w rzeczywistości spychają organizm jeszcze bardziej poza homeostazę, ale mogą być konieczne do zaistnienia życia. Homeostaza jest kontrolowana przez układ nerwowy i endokrynny.

Mechanizmy ujemnego sprzężenia zwrotnego

Każdy proces homeostatyczny, który zmienia kierunek bodźca z powrotem w kierunku normalnego zakresu, jest pętlą ujemnego sprzężenia zwrotnego. Może on albo zwiększyć lub zmniejszyć bodziec, ale bodziec nie jest dozwolony, aby kontynuować tak, jak to miało miejsce przed wyczuciem go przez receptor. Innymi słowy, jeśli poziom jest zbyt wysoki, organizm robi coś, aby go obniżyć, i odwrotnie, jeśli poziom jest zbyt niski, organizm robi coś, aby go podnieść. Stąd termin ujemne sprzężenie zwrotne. Przykładem jest utrzymywanie poziomu glukozy we krwi. Po zjedzeniu posiłku, poziom glukozy we krwi wzrasta. Wyspecjalizowane komórki w trzustce wyczuwają to i hormon insulina jest uwalniany przez układ endokrynny. Insulina powoduje obniżenie stężenia glukozy we krwi, jak można się spodziewać w systemie ujemnego sprzężenia zwrotnego, co ilustruje rysunek 18.9. Jeśli jednak osoba nie jadła i poziom glukozy we krwi spada, jest to wyczuwane przez inną grupę komórek w trzustce i uwalniany jest hormon glukagon, który powoduje wzrost poziomu glukozy. To wciąż jest pętla ujemnego sprzężenia zwrotnego, ale nie w kierunku oczekiwanym przez użycie terminu „ujemne”. Pętle ujemnego sprzężenia zwrotnego są dominującym mechanizmem wykorzystywanym do utrzymania homeostazy.

Rysunek 10.9 Poziom glukozy we krwi jest kontrolowany przez pętlę ujemnego sprzężenia zwrotnego. (credit: modification of work by Jon Sullivan)

Termoregulacja

Innym przykładem wykorzystania ujemnego sprzężenia zwrotnego do utrzymania homeostazy jest termoregulacja. Zwierzęta, takie jak ludzie, które utrzymują stałą temperaturę ciała w obliczu różnych temperatur otoczenia, są nazywane endotermami. Jesteśmy w stanie utrzymać tę temperaturę poprzez wytwarzanie wewnętrznego ciepła (produkt odpadowy komórkowych reakcji chemicznych metabolizmu), który utrzymuje procesy komórkowe działające optymalnie, nawet gdy środowisko jest zimne.

Thermoreceptory (wykonane z neuronów) w narządach wewnętrznych, kręgosłupa i mózgu wysłać informacje o temperaturze ciała do centrum sterowania w podwzgórzu w mózgu. Podwzgórze działa jak termostat organizmu i może podnosić lub obniżać temperaturę ciała, aby utrzymać ją w normalnym zakresie (około 98,6 ºF lub 37 ºC). Jeśli temperatura ciała przekracza normalny zakres, podwzgórze wysyła sygnały do gruczołów potowych, aby spowodować pocenie się, oraz do mięśni gładkich wokół naczyń krwionośnych w skórze, aby spowodować rozszerzenie naczyń krwionośnych. Rozszerzenie naczyń krwionośnych, czyli otwarcie tętnic prowadzących do skóry poprzez rozluźnienie ich mięśni gładkich, doprowadza więcej krwi i ciepła do powierzchni ciała, ułatwiając utratę ciepła i chłodzenie ciała. I odwrotnie, jeśli temperatura ciała jest poniżej normalnego zakresu, podwzgórze informuje mięśnie szkieletowe o konieczności skurczu w celu wywołania dreszczy, które generują ciepło ciała. Sygnały są również wysyłane do mięśni gładkich wokół naczyń krwionośnych w skórze, aby spowodować skurcz naczyń krwionośnych. Wazokonstrykcja, zwężenie naczyń krwionośnych do skóry przez skurcz ich mięśni gładkich, zmniejsza przepływ krwi w obwodowych naczyniach krwionośnych, zmuszając krew w kierunku rdzenia i ważnych narządów, zachowując ciepło.

Normalny zakres (punkt ustawienia) dla temperatury ciała może ulec zmianie podczas infekcji. Niektóre z komórek układu odpornościowego uwalniają substancje chemiczne zwane pirogenami, które powodują, że podwzgórze resetuje normalny zakres temperatury ciała do wyższej wartości, powodując gorączkę. Wzrost ciepłoty ciała czyni ciało mniej optymalnym dla rozwoju bakterii i zwiększa aktywność komórek układu odpornościowego, dzięki czemu są one w stanie lepiej zwalczać infekcję.

Pozytywne sprzężenie zwrotne

Pętla dodatniego sprzężenia zwrotnego popycha regulowaną zmienną dalej od normalnego zakresu. Dodatnie sprzężenie zwrotne nie jest często używane w organizmie, ale jest używane w krzepnięciu krwi, kichaniu i generowaniu sygnałów nerwowych. Innym przykładem dodatniego sprzężenia zwrotnego są skurcze macicy podczas porodu, jak pokazano na rysunku 18.11. Hormon oksytocyna, wytwarzany przez układ endokrynny, stymuluje skurcze macicy. To z kolei popycha główkę dziecka w kierunku szyjki macicy, rozciągając ją. Rozciągnięta szyjka macicy wysyła sygnał do przysadki mózgowej, aby ta uwolniła więcej oksytocyny. Zwiększona ilość oksytocyny powoduje silniejsze skurcze macicy, które popychają dziecko dalej do szyjki macicy, rozciągając ją jeszcze bardziej. Zwiększone uwalnianie oksytocyny, silniejsze skurcze macicy i dalsze rozciąganie szyjki macicy trwa do momentu urodzenia dziecka i wyłączenia pętli dodatniego sprzężenia zwrotnego, ponieważ szyjka macicy nie jest już tak mocno rozciągana.

Rysunek 10.11 Narodziny ludzkiego dziecka są wynikiem dodatniego sprzężenia zwrotnego. (kredyt: Openstax Biology 2e)

Adaptowane z Openstax Human Biology and Biology 2e

.