Fizjologia i regulacja metabolizmu

Wykład 1. Zwierz ę w środowisku

dr Magdalena MarkowskaZakład Fizjologii Zwierz ąt

Fizjologia to nauka o funkcjonowaniu ciała organizmów; w fizjologii poszukuje się odpowiedzi na pytania:

dlaczego? jak?

Procesy fizjologicznych opierają się napodstawowych zasadach chemicznych i fizycznych

Procesy fizjologiczne sąregulowane homeostatycznie

Procesy fizjologiczne są wypadkową wpływugenotypu i środowiska

Różnorodność fizjologiczna wśród zwierząt jest wynikiemewolucji

Podstawowym kanonem w fizjologii jestzwiązek struktury z funkcj ą

Dwuznaczno ść terminu „ środowisko”

Środowisko zewn ętrzne organizmu –„... zwierzę korzystając z zasobów jakiegoś środowiska musi sobie radzić z jego uciążliwościami...” (Schmidt Nielsen, 1997).

Reakcja „Fight or flight”

Środowisko wewn ętrzne (milieu interieur) - „....stałość środowiska wewnętrznego warunkiem wolnego i niezależnego życia...” - Claude Bernard.

Środowisko

• Przestrzeń zewnątrzkomórkowa, z którą komórki wymieniają gazy i metabolity stanowi ŚRODOWISKO WEWNĘTRZNE ORGANIZMU.

• W ŚRODOWISKU WEWNĘTRZNYM skład jonowy, ciśnienie osmotyczne, prężność tlenu, skład metabolitów utrzymywane są na STAŁYM POZIOMIE.

Homeostaza

Koncepcję tę rozszerzył Walter Canon wprowadzając w książce: The wisdom of the body (1932) termin homeostaza.

Homeostaza jest to tendencja do utrzymywania lub utrzymywanie właściwej organizmowi wewnętrznej stabilności, na drodze skoordynowanych reakcji narządów wewnętrznych, automatycznie kompensujących zmiany środowiska.

za Rafał Skoczylas

Każdy ma taką homeostazę jaką umożliwia precyzja jego mechanizmów regulacyjnych czyli

mechanizmów homeostatycznych .

Środowisko wewnętrzne organizmu

Znacznym wahaniom wskaźników środowiska zewnętrznego odpowiadają

małe wahania wewnętrzne

Eckert et al., 1988 Eckert et al., 2002

za Rafał Skoczylas

Sprzężenia zwrotne

Są jednym z głównych mechanizmów homeostatycznych

Ujemne – utrzymuj ą homeostaz ę

Dodatnie – nasilaj ą proces

Konformi ści fizjologiczni i zwierz ęta zdolne do regulacji

Stężenie niektórych jonów (w mmolach/kg, zaokrąglone) w wodzie i płynach ustrojowych wybranych organizmów

+ - ilości śladowe

Konformiści: chełbia, kalmar

Zwierzęta regulujące: płastuga, karaś, żaba, człowiek.

Rodzaj wody Organizm Na Mg Ca K Cl

Morska ------------------ 475 54 10 10 554

Chełbia 474 53 10 10 580

Kalmar 456 55 11 22 578

Płastuga 180 1 3 4 160

Słodka ------------------ 0,4 0,2 0,5 + 0,2

Karaś złoty 142 3 6 2 107

Żaba trawna 92 1,6 2,3 3 70

Człowiek 141 2 5 4 104

za Rafał Skoczylas

Eckert et al., 2002

To, że ktoś jest zdolny do regulacji pod jednym względem, nie oznacza, że jest do niej zdolny pod każdym.

Np. żaba trawna – osmoregulacja dobra,

termoregulacja słaba.

Środowisko zewnętrzne wodne

Środowisko zewnętrzne lądowe

Główne składniki środowiska zewnetrznego

• tlen• energia – żywność• temperatura• woda• światło

Woda - Ląd

Czynnik środowiskaŚrodowisko

wodne l ądowe

�Gęstość ośrodka Wysoka Niska�Opór Duży Mały�Wyporno ść Duża Mała�Zawarto ść O2 3,5% 21%�Zawarto ść CO2 1,7% 0,03%�Wahania temperatury Niewielkie Duże�Światło Rozproszone Pełne�Rozpuszczalno ść związków

Duża Mała

Gęstość – opór – wyporno ść

Rozmiar

Płetwal błekitny (max. 31 m i 200 ton) Słoń afryka ński (max. 7,5 m i 6 ton)

Gęstość – opór – wyporno ść

Ruch

Bierny

Plankton

Aktywny

Tuńczyk

Organizmy wodne zwi ększaj ą swoj ą wyporno ść zmieniaj ąc skład ciała:

• krople tłuszczu gromadzone przez zooplankton

• duże ilo ści tłuszczu w w ątrobie rekinów

• pęcherz pławny wypełniony gazami

Gęstość – opór – wyporno ść

Kształt ciała maksymalnie zmniejszaj ący opór wody

Tuńczyk (100 km/godz.) Marlin (110 km/godz.)

Ruch

Delfin

Gęstość – opór – wyporno ść

Agama

Jeleń

Gepard

Ruch

Sokół Ważka Wąż

Gęstość – opór – wyporno ść

Szkielet i mi ęśnie

Na lądzie silniej odczuwane jest przyciąganie ziemskie, któremu w wodzie przeciwstawia się siła

wyporności.

Na lądzie szkielet i mięśnie „przeciwstawiają się” przyciąganiu ziemskiemu.

Temperatura

WODA LĄD

Małe, stopniowane, zmiany temperatury. Środowisko względnie stałe termicznie.Nie ma temperatur ujemnych.Duże przewodnictwo cieplne.

Duża rozpiętość temperaturowa.Temperatury sięgają bardzo wysokich wartości jak i bardzo niskich.Mniejsze niż w wodzie przewodnictwo cieplne

Temperatura otoczenia

Gorąca pustynia(dobowe wahania)

Wilgotne lasy tropikalne(wysoka)

Góry (bardzo niskie)

Strefa umiarkowana(wahania sezonowe)

Jeziora, rzeki(stratyfikacja termiczna, zimowe zamarzanie)

Podziemne kryjówki(umiarkowana i stabilna)

Pasmo pływów strefy przybrze żnej(gwałtowne zmiany)

Zróżnicowana

Stabilna

Niska i stabilna

Ujścia źródeł hydrotermalnych (>100°C)

Termoklina

Stało - i zmiennocieplno ść

Stałocieplno ść jest bardzo kosztowna energetycznie!

Energia

Jeszcze jedno porównanie

Jeszcze jedno porównanie

Zawarto ść O2 i CO2 -wymiana gazowa

Wymiana gazowa zachodzi na zasadzie dyfuzji!!!

Przez powierzchni ę ciała lub dzi ęki wyspecjalizowanym strukturom.

Układ rozprowadzaj ący gazy.

Zawarto ść O2 i CO2 -wymiana gazowa

Zawarto ść O2 i CO2 -wymiana gazowa

Woda

Zewnętrzny aparat wymiany gazowej

Zawarto ść O2 i CO2 -wymiana gazowa

Ląd

Wewnętrzny aparat wymiany gazowej

Woda

• Największym problemem na lądzie jest brak wody.

• Problem z wodą słodką i słoną – susza w wodzie.

• W wodzie związki organiczne i nieorganiczne dość łatwo się

rozpuszczają.

• Rozpuszczone sole zmniejszają rozpuszczalność gazów.

Życie wywodzi si ę z wody i bez wody nie mo że się obejść.

NARZĄDAMI służącymi do wymiany wody i jonów z otoczeniem są: nerki lub ich odpowiedniki, oraz skóra i nabłonki tkanek pozanerkowych: skrzeli, płuc, układu pokarmowego.

Woda

Woda Śluz NabłonekPłyn śródmiąższowyPłyn zewnątrzkomórkowy Naczynie krwionośne

Płyn zewnątrzkomórkowy (osocze)Komórka (erytrocyt)

wydalanie mocznikawydalanie mocznika

Rozmna żanieW wodzie u ni ższych kr ęgowców zapłodnienie zewn ętrzne.

Na lądzie zapłodnienie wewn ętrzne i powstawanie twardych skorup jajowych a tak że błon płodowych.

Owodnia to błona otaczaj ąca bezpo średnio zarodek,

zapewnia środowisko wodne.

Omocznia to błona, która rozwija si ę między owodni ą a

komórk ą, zbiera szkodliwe produkty przemiany materii.

Kosmówka to zewn ętrzna błona płodowa, uczestniczy w

wymianie gazowej.

Błony płodowe

Wróćmy do homeostazy

• Jest to samoregulujący się proces, dzięki któremu układy żywe (organizmy) zdążają do

utrzymania stałości przy jednoczesnym dostosowywaniu się do warunków

optymalnych dla przeżycia.

• Jeśli homeostaza jest skuteczna – życie toczy się dalej. Jeśli zawodzi – następuje śmierć

lub kataklizm.

środowisko wewn ętrzne

środowisko zewn ętrzne

UKŁAD ENDOKRYNOWY

UKŁAD ODPORNOŚCIOWY

UKŁAD NERWOWY

czynniki psychiczne, stres

antygeny

SZYSZYNKA

światło - ciemność

Układy utrzymuj ące homeostaz ę

Rodzaje komunikacji pomi ędzy komórkami

Bezpośrednia Autokrynowa i parakrynowa

Dokrewna Nerwowa

Chemiczny przeka źnik

Łącze niskooporowe

Odpowied ź

Odpowied ź

Odpowied ź

Chemiczny przeka źnik

Chemiczny przeka źnik (neurotransmiter)

Receptor

Receptor

Przekaźnictwo sygnału

Przekaźnictwo sygnału

Przekaźnictwo sygnału

Chemiczny przeka źnik

Receptor

Przekaźnictwo sygnału

Odpowied ź

Krwioobieg

Wróćmy do homeostazy

Jeśli homeostaza jest skuteczna – życie toczy się dalej.

Jeśli zawodzi – następuje śmierć lub kataklizm.

Streswywoływany przez wszelkie niezwykłe warunki otoczenia,

stanowiące zagrożenie realne lub domniemane

Definicja : sekwencja zdarzeń, zaczynających się bodźcem(stresor ), uruchamiającym reakcję OUN (percepcja stresu ),która z kolei uruchamia procesy fizjologiczne (reakcjastresowa )

Reakcja stresowa : reakcja adaptacyjna na niezwykłe warunkiotoczenia lub niewłaściwa reakcja na warunki zwyczajne

Nieodłączny element życia większości organizmów – skutecznejego przezwyciężanie umożliwia przeżycie.

Reakcja stresowa

• Natychmiastowa odpowiedź motoryczna i świadomościowa – rozpoczęcie procesu „wyzwalania się” z sytuacji stresowej

• Późniejsza reakcja neuro-endokrynowa –trwająca dłużej odpowiedź na czynnik stresowy, prowadząca do uniknięcia lub zwalczenia sytuacji stresowej

Mobilizacja organizmu pod wpływem stresu

Mózg zwiększone ukrwienie, zwiększona przemiana glukozy

Układ sercowo-naczyniowy zwiększona częstotliwość pracy serca, zwiększona siła skurczu, obwodowy skurcz naczyń, wzrost ciśnienia krwi

Układ oddechowy rozszerzenie oskrzeli, wzrost wentylacji, wzrost pobierania tlenu

Mięśnie zwiększona glikogenoliza, wzmożona kurczliwość

Wątroba zwiększona glikogenoliza i glukoneogeneza

Tkanka tłuszczowa zwiększona lipoliza, wzrost poziomu kwasów tłuszczowych we krwi

Skóra zmniejszone ukrwienie

Kościec zmniejszony wychwyt glukozy

Przewód pokarmowy zahamowanie funkcji

Co się dzieje w organizmie

Stres długotrwały

wydolność oczekiwana

spadek aktywności obronnej organizmu

wyczerpanie

załamanie się funkcji obronnych organizmufaza stabilna

zmęczenie

rozluźnienie pobudzenie przeciążenie

układ współczulnyrdzeń nadnerczykatecholaminy

noradrenalina (walka)

adrenalina (niepokój, ucieczka)

CRH-ACTH-kortykoidy (bezradność, depresja)oś HPA

gonadotropiny testosteron (trwanie popędu płciowego)

układ oksytocynoergiczny

oksytocyna, prolaktyna (więzi socjalne, behawior socjalny, macierzyński, seksualny)

wyd

olno

ść o

rgan

izm

u

czas

McEwen 2008

Współdziałanie czynników bior ących udział w stresie

Stenberg 2006

Plan ćwiczeń i tematów kowersatoriów

data Wykład i ćwiczenia Konwersatorium

22.02 Sposoby pobierania pokarmu, trawienie, wchłanianie.

Otyło ść. Cukrzyca. Zespół metaboliczny. Anoreksja i bulimia.

8.03 Układy kr ążenia i wymiany gazowej. Przystosowania kr ążenia i oddychania w skrajnych warunkach środowiskowych. Nurkowanie, życie w górach.

29.03 Gospodarka wodna i mineralna. Czy istnieje pusty nia lodowa?

19.04 Przekazywanie sygnału. Narz ądy zmysłu.

10.05 Ruch. Czy rzeczywi ście sport to zdrowie?

17.05 Stres. brak

24.05 Rozród. brak

Dziękuję za uwagę