Una dintre temele primordiale ale biologiei este că structura determină funcția; modul în care este aranjat ceva îi permite să îndeplinească o anumită sarcină. Vedem acest lucru la toate nivelurile în ierarhia organizării biologice, de la atomi până la biosferă. Să ne uităm la câteva exemple în care structura determină funcția.

• Nivel molecular – proteine. Forma (structura) unei proteine determină funcția sa. De exemplu, există două forme de bază pentru proteine: fibroasă și globulară (rotundă). Proteinele fibroase, cum ar fi colagenul (figura 18.1), au forma unei frânghii și dau rezistență pielii noastre pentru a o împiedica să se rupă. Proteinele fibroase sunt proteine structurale, deoarece ajută să dea formă și să susțină pielea. Proteinele globulare, cum ar fi hemoglobina (figura 18.2), sunt folosite pentru a transporta oxigenul în sânge. Alte exemple de proteine globulare care au funcții diferite sunt enzimele (catalizează sau accelerează reacțiile chimice din organism) și proteinele membranei plasmatice (pot transporta substanțe prin membrana celulară, joacă un rol în comunicarea celulară, acționează ca enzime sau ajută la identificarea celulei cu restul organismului).

• Nivel celular – celule musculare scheletice. Structura celulelor musculare scheletice le permite să aibă funcția de contracție, care ne permite să ne mișcăm. De exemplu, celulele musculare scheletice care alcătuiesc mușchiul biceps brahial sunt atașate de ambele capete ale osului humerus prin tendoane și sunt pline de proteine contractile (actina și miozina) (figura 18.3) (figura 18.3). Când proteinele contractile se contractă, ele scurtează celula musculară, care apoi trage de capetele humerusului și vă permite să vă flexați antebrațul (figura 18.4).

• Nivel individual (anatomie și fiziologie). În studiul oamenilor, anatomia este studiul structurii corpului (ex. unde este localizat mușchiul cvadriceps), iar fiziologia este studiul modului în care funcționează corpul (ex. cum se contractă mușchiul cvadriceps). Să aruncăm o privire la anatomia inimii, care dictează funcția inimii. Inima este formată din patru camere goale (atrii și ventricule) și este alcătuită din celule musculare cardiace (figura 18.5). Această structură permite inimii să aibă funcția de a pompa sângele în jurul corpului. Dacă structura inimii se modifică (ex. unele camere ale inimii se întind sau se dilată), atunci funcția inimii scade, deoarece inima nu mai poate pompa la fel de mult sânge, ceea ce va provoca în cele din urmă insuficiență cardiacă congestivă.

• Nivelul ecosistemului. Un ecosistem este format dintr-o comunitate formată din toate speciile diferite care trăiesc într-o anumită zonă geografică, precum și din toate componentele lipsite de viață (ex. apă, nisip, lumină, oxigen). Dacă ne uităm la structura unui ecosistem de recif de corali, observăm că coralii, care sunt speciile de bază, oferă protecție și habitat pentru alte specii (figura 18.6). Reciful de corali protejează alte specii, cum ar fi peștii, de valurile și curenții oceanici și le oferă un loc unde să se ascundă de prădători.

10.2 Tipuri de țesuturi umane

Termenul țesut este folosit pentru a descrie un grup de celule similare care se găsesc împreună în organism și care acționează împreună pentru a îndeplini funcții specifice. Din punct de vedere evolutiv, țesuturile apar la organismele mai complexe.

Deși există multe tipuri de celule în corpul uman, acestea sunt organizate în patru categorii de țesuturi: epiteliale, conjunctive, musculare și nervoase. Fiecare dintre aceste categorii este caracterizată de funcții specifice care contribuie la sănătatea generală și la menținerea organismului. O perturbare a structurii unui țesut este un semn de leziune sau de boală. Astfel de modificări pot fi detectate prin histologie, studiul microscopic al aspectului, organizării și funcției țesuturilor.

Cele patru tipuri de țesuturi

Tesutul epitelial, denumit și epiteliu, se referă la foițele de celule care acoperă suprafețele exterioare ale corpului, căptușesc cavitățile și pasajele interne și formează anumite glande. Exemple de țesut epitelial includ pielea, membranele mucoase, glandele endocrine și glandele sudoripare. Țesutul conjunctiv, după cum îi spune și numele, leagă celulele și organele corpului între ele și funcționează în protecția, susținerea și integrarea tuturor părților corpului. Țesutul conjunctiv este divers și include oase, tendoane, ligamente, cartilaje, grăsime și sânge. Țesutul muscular este excitabil, răspunzând la stimulare și contractându-se pentru a asigura mișcarea, și se prezintă sub forma a trei tipuri majore: mușchiul scheletic (voluntar), mușchiul neted și mușchiul cardiac din inimă. Țesutul nervos este, de asemenea, excitabil, permițând propagarea semnalelor electrochimice sub formă de impulsuri nervoase care comunică între diferite regiuni ale corpului (figura 18.7).

Următorul nivel de organizare este organul, în care două sau mai multe tipuri de țesuturi se unesc pentru a îndeplini funcții specifice. Așa cum cunoașterea structurii și funcției celulelor vă ajută în studiul țesuturilor, cunoașterea țesuturilor vă va ajuta să înțelegeți cum funcționează organele.

Figura 10.7 Patru tipuri de țesuturi: Organismul Cele patru tipuri de țesuturi sunt exemplificate în țesutul nervos, țesutul epitelial scuamos stratificat, țesutul muscular cardiac și țesutul conjunctiv din intestinul subțire. În sensul acelor de ceasornic, de la țesutul nervos, LM × 872, LM × 282, LM × 460, LM × 800. (Micrografiile au fost furnizate de Regents of University of Michigan Medical School © 2012)

10.3 Sisteme de organe umane

Un sistem de organe este un grup de organe care lucrează împreună pentru a îndeplini funcții majore sau pentru a satisface nevoile fiziologice ale organismului. Figura 18.8 de mai jos prezintă cele unsprezece sisteme de organe distincte din corpul uman. Atribuirea organelor la sistemele de organe poate fi imprecisă, deoarece organele care „aparțin” unui sistem pot avea, de asemenea, funcții care fac parte integrantă din alt sistem. De fapt, majoritatea organelor contribuie la mai mult de un sistem. În acest curs, vom discuta unele, dar nu toate aceste sisteme de organe.

Tabelul 10.1 de mai jos enumeră cele 11 sisteme de organe, componentele și funcțiile lor.

10.4 Homeostazia

Înainte de a trece la discutarea sistemelor de organe individuale, este important să trecem în revistă conceptul de homeostazie. Homeostazia se referă la menținerea unei stări relativ stabile în interiorul organismului. Organele și sistemele de organe umane se adaptează în mod constant la schimbările interne și externe pentru a menține această stare stabilă. Exemple de condiții interne menținute în homeostazie sunt nivelul de glucoză din sânge, temperatura corpului și nivelul de calciu din sânge. Aceste condiții rămân stabile datorită controlului prin feedback negativ. Dacă nivelul glicemiei sau al calciului din sânge crește, acest lucru trimite un semnal către organele responsabile de scăderea glicemiei sau a calciului din sânge. Semnalele care readuc variabila în intervalul normal (numit și punctul de referință) sunt exemple de feedback negativ. Când mecanismele homeostatice eșuează, persoana se îmbolnăvește și ar putea muri.

Controlul homeostaziei

Când are loc o schimbare în mediul unei persoane, trebuie să se facă o ajustare. Un receptor (adesea un neuron) simte schimbarea din mediul înconjurător, apoi trimite un semnal către centrul de control (în cele mai multe cazuri, creierul) care, la rândul său, generează un răspuns care este semnalat unui efector, care readuce variabila reglată în intervalul normal. Efectorul este un mușchi (care se contractă sau se relaxează) sau o glandă care secretă. Homeostazia este menținută prin bucle de feedback negativ. Buclele de feedback pozitiv împing de fapt organismul mai departe de homeostază, dar pot fi necesare pentru ca viața să apară. Homeostazia este controlată de sistemele nervos și endocrin.

Mecanisme de reacție negativă

Care proces homeostatic care schimbă direcția stimulului înapoi spre intervalul normal este o buclă de reacție negativă. Acesta poate să crească sau să scadă stimulul, dar nu i se permite stimulului să continue așa cum a făcut-o înainte ca receptorul să-l detecteze. Cu alte cuvinte, dacă un nivel este prea ridicat, organismul face ceva pentru a-l scădea și, invers, dacă un nivel este prea scăzut, organismul face ceva pentru a-l face să crească. De aici și termenul de feedback negativ. Un exemplu este menținerea nivelului de glucoză din sânge. După ce o persoană a mâncat, nivelul glicemiei crește. Celulele specializate din pancreas simt acest lucru, iar hormonul insulină este eliberat de sistemul endocrin. Insulina face ca nivelul glucozei din sânge să scadă, așa cum ar fi de așteptat într-un sistem de feedback negativ, așa cum este ilustrat în figura 18.9. Cu toate acestea, dacă o persoană nu a mâncat și nivelul glucozei din sânge scade, acest lucru este sesizat de un alt grup de celule din pancreas, iar hormonul glucagon este eliberat, determinând creșterea nivelului de glucoză. Aceasta este încă o buclă de reacție negativă, dar nu în direcția așteptată prin utilizarea termenului „negativ”. Buclele de reacție negativă sunt mecanismul predominant utilizat pentru menținerea homeostaziei.

Figura 10.9 Nivelul glicemiei este controlat de o buclă de reacție negativă. (credit: modificare după lucrarea lui Jon Sullivan)

Termoreglarea

Un alt exemplu de utilizare a feedback-ului negativ pentru menținerea homeostaziei este termoreglarea. Animalele, cum ar fi oamenii, care mențin o temperatură corporală constantă în fața unor temperaturi ambientale diferite, se numesc endoterme. Suntem capabili să menținem această temperatură prin generarea de căldură internă (un produs rezidual al reacțiilor chimice celulare ale metabolismului) care menține procesele celulare funcționând în mod optim chiar și atunci când mediul este rece.

Termoreceptorii (formați din neuroni) din organele interne, coloana vertebrală și creierul trimit informații despre temperatura corpului către centrul de control din hipotalamusul din creier. Hipotalamusul acționează ca termostat al organismului și poate crește sau scădea temperatura corpului pentru a o menține în intervalul normal (în jur de 98,6 ºF sau 37 ºC). În cazul în care temperatura corpului este peste intervalul normal, hipotalamusul va trimite semnale către glandele sudoripare pentru a provoca transpirația și către mușchii netezi din jurul vaselor de sânge din piele pentru a provoca vasodilatație. Vasodilatația, adică deschiderea arterelor către piele prin relaxarea mușchilor netezi ai acestora, aduce mai mult sânge și căldură la suprafața corpului, facilitând pierderea de căldură și răcind corpul. În schimb, dacă temperatura corpului este sub limitele normale, hipotalamusul va spune mușchilor scheletici să se contracte pentru a provoca frisoane, ceea ce va genera căldură corporală. Semnalele sunt trimise, de asemenea, către mușchii netezi din jurul vaselor de sânge din piele pentru a provoca vasoconstricție. Vasoconstricția, îngustarea vaselor de sânge la nivelul pielii prin contracția mușchilor netezi ai acestora, reduce fluxul sanguin în vasele de sânge periferice, forțând sângele spre nucleu și spre organele vitale, conservând căldura.

Limitația normală (punctul de referință) pentru temperatura corpului poate fi modificată în timpul unei infecții. Unele dintre celulele sistemului imunitar eliberează substanțe chimice numite pirogene, care determină hipotalamusul să reseteze intervalul normal al temperaturii corporale la o valoare mai mare, ceea ce duce la apariția febrei. Creșterea căldurii corporale face ca organismul să fie mai puțin optim pentru dezvoltarea bacteriilor și crește activitățile celulelor sistemului imunitar, astfel încât acestea să fie mai capabile să lupte împotriva infecției.

Feedback pozitiv

O buclă de feedback pozitiv împinge variabila reglată mai departe de intervalul normal. Feedback-ul pozitiv nu este folosit des în organism, dar este utilizat în coagularea sângelui, în strănut și în generarea de semnale nervoase. Un alt exemplu de feedback pozitiv este reprezentat de contracțiile uterine în timpul nașterii, așa cum este ilustrat în figura 18.11. Hormonul oxitocină, produs de sistemul endocrin, stimulează contracția uterului. Aceasta împinge capul bebelușului spre colul uterin, întinzându-l. Cervixul întins trimite un semnal către glanda pituitară din creier pentru a elibera mai multă oxitocină. Oxitocina crescută provoacă contracții uterine mai puternice, care împing bebelușul mai departe în colul uterin, întinzându-l și mai mult. Eliberarea crescută de oxitocină, contracțiile uterine mai puternice și întinderea în continuare a colului uterin continuă până când bebelușul este adus pe lume și bucla de feedback pozitiv este oprită deoarece colul uterin nu mai este întins la fel de mult.

Figura 10.11 Nașterea unui copil uman este rezultatul unui feedback pozitiv. (credit: Openstax Biology 2e)

Adaptat din Openstax Human Biology and Biology 2e

.