Ett av de övergripande temana inom biologin är att strukturen bestämmer funktionen; hur något är arrangerat gör det möjligt för det att utföra en specifik uppgift. Vi ser detta på alla nivåer i den biologiska organisationens hierarki från atomer upp till biosfären. Låt oss ta en titt på några exempel där strukturen bestämmer funktionen.

• Molekylär nivå – proteiner. Formen (strukturen) hos ett protein bestämmer dess funktion. Det finns till exempel två grundläggande former för proteiner: fibrösa och globulära (runda). Fibrösa proteiner, t.ex. kollagen (figur 18.1), är formade som ett rep och ger styrka åt vår hud för att förhindra att den går sönder. Fibrösa proteiner är strukturella proteiner eftersom de hjälper till att ge form åt och stödja huden. Globulära proteiner, till exempel hemoglobin (figur 18.2), används för att transportera syre i blodet. Andra exempel på globulära proteiner som har olika funktioner är enzymer (katalyserar eller påskyndar kemiska reaktioner i kroppen) och plasmamembranproteiner (kan transportera ämnen över cellmembranet, spela en roll i cellkommunikationen, fungera som enzymer eller hjälpa till att identifiera cellen med resten av kroppen).

• Cellulär nivå – skelettmuskelceller. Skelettmuskelcellernas struktur gör att de kan ha funktionen kontraktion, vilket gör att vi kan röra oss. Skelettmuskelcellerna som utgör din biceps brachii-muskel är till exempel fästade vid överarmsbenets båda ändar med hjälp av senor och är fulla av kontraktila proteiner (aktin och myosin) (figur 18.3). När de kontraktila proteinerna drar ihop sig förkortar de muskelcellen, som då drar i överarmsbenets ändar och gör att du kan böja underarmen (figur 18.4).

• Individuell nivå (anatomi och fysiologi). När man studerar människor är anatomi studiet av kroppens struktur (t.ex. var quadricepsmuskeln är placerad) och fysiologi studiet av hur kroppen fungerar (t.ex. hur quadricepsmuskeln drar ihop sig). Låt oss ta en titt på hjärtats anatomi, som dikterar hjärtats funktion. Hjärtat består av fyra ihåliga kammare (förmak och kammare) och består av hjärtmuskelceller (figur 18.5). Denna struktur gör att hjärtat har funktionen att pumpa blod runt i kroppen. Om hjärtats struktur förändras (t.ex. om några av hjärtats kamrar blir utdragna eller dilaterade) minskar hjärtats funktion eftersom hjärtat inte längre kan pumpa lika mycket blod, vilket så småningom kommer att orsaka hjärtsvikt.

• Ekosystemnivå. Ett ekosystem består av ett samhälle med alla olika arter som lever i ett visst geografiskt område samt alla icke levande komponenter (t.ex. vatten, sand, ljus, syre). Om vi tittar på strukturen i ett ekosystem i ett korallrev ser vi att korallerna, som är grundarten, ger skydd och livsmiljö åt andra arter (figur 18.6). Korallreven skyddar andra arter, till exempel fiskar, från havets vågor och strömmar och ger dem en plats att gömma sig för rovdjur.

10.2 Mänskliga vävnadstyper

Term inaliteten vävnad används för att beskriva en grupp likartade celler som finns samlade i kroppen och som agerar tillsammans för att utföra specifika funktioner. Ur ett evolutionärt perspektiv uppträder vävnader i mer komplexa organismer.

Och även om det finns många typer av celler i människokroppen är de organiserade i fyra kategorier av vävnader: epitelvävnad, bindväv, muskelvävnad och nervvävnad. Var och en av dessa kategorier kännetecknas av specifika funktioner som bidrar till kroppens allmänna hälsa och underhåll. En störning i en vävnads struktur är ett tecken på skada eller sjukdom. Sådana förändringar kan upptäckas genom histologi, den mikroskopiska studien av vävnaders utseende, organisation och funktion.

De fyra typerna av vävnader

Epitelvävnad, även kallad epitel, hänvisar till de cellskikt som täcker kroppens yttre ytor, bekläder inre håligheter och passager och bildar vissa körtlar. Exempel på epitelvävnad är hud, slemhinnor, endokrina körtlar och svettkörtlar. Bindväv, som namnet antyder, binder ihop kroppens celler och organ och fungerar som skydd, stöd och integrering av kroppens alla delar. Bindväven är mångsidig och omfattar ben, senor, ligament, brosk, fett och blod. Muskelvävnad är excitabel, reagerar på stimulering och drar ihop sig för att skapa rörelse, och förekommer i tre huvudtyper: skelettmuskulatur (frivilliga muskler), glatt muskulatur och hjärtmuskulatur i hjärtat. Nervvävnad är också exciterbar och möjliggör spridning av elektrokemiska signaler i form av nervimpulser som kommunicerar mellan olika regioner i kroppen (figur 18.7).

Nästa organisationsnivå är organet, där två eller flera typer av vävnader samlas för att utföra specifika funktioner. På samma sätt som kunskap om cellernas struktur och funktion hjälper dig i din studie av vävnader, kommer kunskap om vävnader att hjälpa dig att förstå hur organ fungerar.

Figur 10.7 Fyra typer av vävnader: Kropp De fyra typerna av vävnader exemplifieras i nervvävnad, stratifierad skivepitelvävnad, hjärtmuskelvävnad och bindväv i tunntarmen. Medurs från nervvävnad, LM × 872, LM × 282, LM × 460, LM × 800. (Mikrografer tillhandahållna av Regents of University of Michigan Medical School © 2012)

10.3 Människans organsystem

Ett organsystem är en grupp av organ som arbetar tillsammans för att utföra viktiga funktioner eller tillgodose kroppens fysiologiska behov. Figur 18.8 nedan visar de elva olika organsystemen i människokroppen. Att tilldela organ till organsystem kan vara oprecist eftersom organ som ”tillhör” ett system också kan ha funktioner som är integrerade i ett annat system. Faktum är att de flesta organ bidrar till mer än ett system. I den här kursen kommer vi att diskutera några, men inte alla dessa organsystem.

Tabell 10.1 nedan listar de 11 organsystemen, deras komponenter och funktioner.

10.4 Homeostas

För att gå vidare till att diskutera de enskilda organsystemen är det viktigt att gå igenom begreppet homeostas. Homeostas avser upprätthållandet av ett relativt stabilt tillstånd i kroppen. Mänskliga organ och organsystem anpassar sig ständigt till inre och yttre förändringar för att upprätthålla detta stabila tillstånd. Exempel på inre tillstånd som upprätthålls i homeostas är blodsockernivån, kroppstemperaturen och kalciumnivån i blodet. Dessa förhållanden förblir stabila på grund av kontroll genom negativ återkoppling. Om blodsockret eller kalciumnivån stiger skickar detta en signal till organ som ansvarar för att sänka blodsockret eller kalciumnivån. De signaler som återställer variabeln till det normala intervallet (även kallat set point) är exempel på negativ återkoppling. När de homeostatiska mekanismerna misslyckas blir personen sjuk och kan dö.

Kontroll av homeostas

När en förändring sker i en persons miljö måste en anpassning göras. En receptor (ofta en neuron) känner av förändringen i miljön och skickar sedan en signal till kontrollcentralen (i de flesta fall hjärnan) som i sin tur genererar ett svar som signaleras till en effektor, som återför den reglerade variabeln tillbaka till det normala intervallet. Effektorn är en muskel (som drar ihop sig eller slappnar av) eller en körtel som utsöndrar något. Homeostatistiken upprätthålls genom negativa återkopplingsslingor. Positiva återkopplingsslingor driver i själva verket organismen längre ut ur homeostas, men kan vara nödvändiga för att liv ska uppstå. Homeostas kontrolleras av nervsystemet och det endokrina systemet.

Negativa återkopplingsmekanismer

Alla homeostatiska processer som ändrar stimulansens riktning tillbaka mot det normala området är en negativ återkopplingsslinga. Den kan antingen öka eller minska stimulansen, men stimulansen tillåts inte fortsätta som den gjorde innan receptorn kände av den. Med andra ord, om en nivå är för hög gör kroppen något för att sänka den, och omvänt, om en nivå är för låg gör kroppen något för att få den att stiga. Därav termen negativ återkoppling. Ett exempel är upprätthållandet av blodsockernivån. Efter att en person har ätit stiger blodglukosnivåerna. Specialiserade celler i bukspottkörteln känner av detta och hormonet insulin frisätts av det endokrina systemet. Insulin får blodglukosnivåerna att sjunka, vilket skulle förväntas i ett negativt återkopplingssystem, vilket illustreras i figur 18.9. Om en person inte har ätit och blodglukosnivåerna sjunker, känner en annan grupp celler i bukspottkörteln av detta, och hormonet glukagon frisätts vilket leder till att glukosnivåerna ökar. Detta är fortfarande en negativ återkopplingsslinga, men inte i den riktning som förväntas av användningen av termen ”negativ”. Negativa återkopplingsslingor är den dominerande mekanism som används för att upprätthålla homeostas.

Figur 10.9 Blodglukosnivåerna styrs av en negativ återkopplingsslinga. (kredit: modifiering av arbete av Jon Sullivan)

Thermoreglering

Ett annat exempel på användning av negativ återkoppling för att upprätthålla homeostas är termoreglering. Djur, till exempel människor, som håller en konstant kroppstemperatur vid olika omgivningstemperaturer kallas endotermer. Vi kan upprätthålla denna temperatur genom att generera intern värme (en avfallsprodukt från cellens kemiska reaktioner i ämnesomsättningen) som gör att de cellulära processerna fungerar optimalt även när miljön är kall.

Thermoreceptorer (som består av neuroner) i de inre organen, ryggraden och hjärnan sänder information om kroppstemperaturen till kontrollcentret i hypothalamus i hjärnan. Hypotalamus fungerar som kroppens termostat och kan höja eller sänka kroppstemperaturen för att hålla den inom det normala intervallet (cirka 98,6 ºF eller 37 ºC). Om kroppstemperaturen ligger över det normala intervallet skickar hypotalamus signaler till svettkörtlarna för att orsaka svettning och till den glatta muskulaturen runt blodkärlen i huden för att orsaka vasodilatation. Vasodilatationen, dvs. öppnandet av artärerna till huden genom att deras glatta muskler slappnar av, leder till att mer blod och värme kommer till kroppsytan, vilket underlättar värmeförlusten och kyler ner kroppen. Omvänt, om kroppstemperaturen ligger under det normala intervallet, säger hypotalamus åt skelettmusklerna att dra ihop sig för att orsaka rysningar, vilket genererar kroppsvärme. Signaler skickas också till den glatta muskulaturen runt blodkärlen i huden för att orsaka vasokonstriktion. Vasokonstriktion, förträngning av blodkärlen till huden genom sammandragning av deras glatta muskler, minskar blodflödet i perifera blodkärl och tvingar blodet mot kärnan och de vitala organen, vilket bevarar värmen.

Det normala intervallet (börvärdet) för kroppstemperaturen kan förändras under en infektion. Vissa av dina immunförsvarsceller släpper ut kemikalier som kallas pyrogener, vilket får hypotalamus att återställa kroppstemperaturens normalintervall till ett högre värde, vilket resulterar i feber. Den ökade kroppsvärmen gör kroppen mindre optimal för bakterietillväxt och ökar aktiviteten hos immunförsvarets celler så att de bättre kan bekämpa infektionen.

Positiv återkoppling

En positiv återkopplingsslinga pressar den reglerade variabeln längre bort från det normala området. Positiv återkoppling används inte ofta i kroppen, men den används vid blodkoagulering, nysningar och generering av nervsignaler. Ett annat exempel på positiv återkoppling är livmoderns sammandragningar under förlossningen, vilket illustreras i figur 18.11. Hormonet oxytocin, som tillverkas av det endokrina systemet, stimulerar sammandragningen av livmodern. Detta trycker barnets huvud mot livmoderhalsen och sträcker ut den. Den utsträckta livmoderhalsen skickar en signal till hypofysen i hjärnan att frisätta mer oxytocin. Det ökade oxytocinet orsakar starkare sammandragningar av livmodern, vilket trycker barnet längre in mot livmoderhalsen och sträcker ut den ännu mer. Ökad frisättning av oxytocin, starkare livmoderkontraktioner och ytterligare sträckning av livmoderhalsen fortsätter tills barnet föds och den positiva återkopplingsslingan stängs av eftersom livmoderhalsen inte längre sträcks lika mycket.

Figur 10.11 Födseln av ett mänskligt spädbarn är resultatet av positiv återkoppling. (kredit: Openstax Biology 2e)

Adapterat från Openstax Human Biology and Biology 2e

Media Attributions

• Kollagen
• Hemoglobin
• Muskelfibrer
• Biceps
• Hjärtats inre anatomi
• Korallrev