Fizjologia i regulacja metabolizmu

Transkrypt

1 Fizjologia i regulacja metabolizmu Wykład 1. Zwierzę w środowisku dr Magdalena Markowska Zakład Fizjologii Zwierząt

2 Fizjologia to nauka o funkcjonowaniu ciała organizmów; w fizjologii poszukuje się odpowiedzi na pytania: dlaczego? jak? Procesy fizjologicznych opierają się na podstawowych zasadach chemicznych i fizycznych Procesy fizjologiczne są regulowane homeostatycznie Procesy fizjologiczne są wypadkową wpływu genotypu i środowiska Różnorodność fizjologiczna wśród zwierząt jest wynikiem ewolucji Podstawowym kanonem w fizjologii jest związek struktury z funkcją

3 Dwuznaczność terminu środowisko Środowisko zewnętrzne organizmu... zwierzę korzystając z zasobów jakiegoś środowiska musi sobie radzić z jego uciążliwościami... (Schmidt Nielsen, 1997). Reakcja Fight or flight Środowisko wewnętrzne (milieu interieur) -...stałość środowiska wewnętrznego warunkiem wolnego i niezależnego życia... - Claude Bernard.

4 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.

5 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

6 Środowisko wewnętrzne organizmu Znacznym wahaniom wskaźników środowiska zewnętrznego odpowiadają małe wahania wewnętrzne Eckert et al., 1988 Eckert et al., 2002 Każdy ma taką homeostazę jaką umożliwia precyzja jego mechanizmów regulacyjnych czyli mechanizmów homeostatycznych. za Rafał Skoczylas

7 Sprzężenia zwrotne Są jednym z głównych mechanizmów homeostatycznych Ujemne utrzymują homeostazę Dodatnie nasilają proces

8 Konformiści fizjologiczni i zwierzęta zdolne do regulacji Stężenie niektórych jonów (w mmolach/kg, zaokrąglone) w wodzie i płynach ustrojowych wybranych organizmów Rodzaj wody Organizm Na Mg Ca K Cl Morska ilości śladowe Konformiści: chełbia, kalmar Chełbia Kalmar Płastuga Słodka ,4 0,2 0,5 + 0,2 Karaś złoty Żaba trawna 92 1,6 2, Człowiek Zwierzęta regulujące: płastuga, karaś, żaba, człowiek. za Rafał Skoczylas

9 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.

10 Środowisko zewnętrzne wodne

11 Środowisko zewnętrzne lądowe

12 Główne składniki środowiska zewnetrznego tlen energia żywność temperatura woda światło

13 Woda - Ląd Czynnik środowiska Środowisko wodne lądowe Gęstość ośrodka Wysoka Niska Opór Duży Mały Wyporność Duża Mała Zawartość O 2 3,5% 21% Zawartość CO 2 1,7% 0,03% Wahania temperatury Niewielkie Duże Światło Rozproszone Pełne Rozpuszczalność związków Duża Mała

14 Gęstość opór wyporność Rozmiar Płetwal błekitny (max. 31 m i 200 ton) Słoń afrykański (max. 7,5 m i 6 ton)

15 Gęstość opór wyporność Ruch Bierny Aktywny Plankton Tuńczyk Organizmy wodne zwiększają swoją wyporność zmieniając skład ciała: krople tłuszczu gromadzone przez zooplankton duże ilości tłuszczu w wątrobie rekinów pęcherz pławny wypełniony gazami

16 Gęstość opór wyporność Ruch Kształt ciała maksymalnie zmniejszający opór wody Tuńczyk (100 km/godz.) Marlin (110 km/godz.) Delfin

17 Gęstość opór wyporność Ruch Agama Gepard Jeleń Sokół Ważka Wąż

18 Gęstość opór wyporność Szkielet i mięśnie Na lądzie silniej odczuwane jest przyciąganie ziemskie, któremu w wodzie przeciwstawia się siła wyporności. Na lądzie szkielet i mięśnie przeciwstawiają się przyciąganiu ziemskiemu.

19

20 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

21 Temperatura otoczenia Wilgotne lasy tropikalne (wysoka) Gorąca pustynia (dobowe wahania) Góry (bardzo niskie) Strefa umiarkowana (wahania sezonowe) Pasmo pływów strefy przybrzeżnej (gwałtowne zmiany) Jeziora, rzeki (stratyfikacja termiczna, zimowe zamarzanie) Podziemne kryjówki (umiarkowana i stabilna) Zróżnicowana Stabilna Niska i stabilna Ujścia źródeł hydrotermalnych (>100 C)

22 Termoklina

23 Stało- i zmiennocieplność Stałocieplność jest bardzo kosztowna energetycznie!

24 Energia

25 Jeszcze jedno porównanie

26 Jeszcze jedno porównanie

27 Zawartość O 2 i CO 2 -wymiana gazowa Wymiana gazowa zachodzi na zasadzie dyfuzji!!! Przez powierzchnię ciała lub dzięki wyspecjalizowanym strukturom. Układ rozprowadzający gazy.

28 Zawartość O 2 i CO 2 -wymiana gazowa

29 Zawartość O 2 i CO 2 -wymiana gazowa Woda Zewnętrzny aparat wymiany gazowej

30 Zawartość O 2 i CO 2 -wymiana gazowa Ląd Wewnętrzny aparat wymiany gazowej

31 Woda Życie wywodzi się z wody i bez wody nie może się obejść. 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.

32 Woda 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 Śluz Nabłonek Płyn śródmiąższowy Płyn zewnątrzkomórkowy Naczynie krwionośne Komórka (erytrocyt) Płyn zewnątrzkomórkowy (osocze)

33 wydalanie mocznika wydalanie mocznika

34 Rozmnażanie W wodzie u niższych kręgowców zapłodnienie zewnętrzne. Na lądzie zapłodnienie wewnętrzne i powstawanie twardych skorup jajowych a także błon płodowych.

35 Błony płodowe Owodnia to błona otaczająca bezpośrednio zarodek, zapewnia środowisko wodne. Omocznia to błona, która rozwija się między owodnią a komórką, zbiera szkodliwe produkty przemiany materii. Kosmówka to zewnętrzna błona płodowa, uczestniczy w wymianie gazowej.

36 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.

37 Układy utrzymujące homeostazę środowisko zewnętrzne czynniki psychiczne, stres światło - ciemność UKŁAD NERWOWY SZYSZYNKA UKŁAD ENDOKRYNOWY UKŁAD ODPORNOŚCIOWY antygeny środowisko wewnętrzne

38 Rodzaje komunikacji pomiędzy komórkami Chemiczny przekaźnik Przekaźnictwo sygnału Łącze niskooporowe Krwioobieg Chemiczny przekaźnik Receptor Chemiczny przekaźnik Receptor Chemiczny przekaźnik (neurotransmiter) Przekaźnictwo sygnału Przekaźnictwo sygnału Odpowiedź Odpowiedź Odpowiedź Receptor Przekaźnictwo sygnału Odpowiedź Bezpośrednia Autokrynowa i parakrynowa Dokrewna Nerwowa

39 Wróćmy do homeostazy Jeśli homeostaza jest skuteczna życie toczy się dalej. Jeśli zawodzi następuje śmierć lub kataklizm.

40 Stres wywoływany 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 (reakcja stresowa) Reakcja stresowa: reakcja adaptacyjna na niezwykłe warunki otoczenia lub niewłaściwa reakcja na warunki zwyczajne Nieodłączny element życia większości organizmów skuteczne jego przezwyciężanie umożliwia przeżycie.

41 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

42 Co się dzieje w organizmie Mobilizacja organizmu pod wpływem stresu Mózg Układ sercowo-naczyniowy Układ oddechowy Mięśnie Wątroba Tkanka tłuszczowa Skóra Kościec Przewód pokarmowy zwiększone ukrwienie, zwiększona przemiana glukozy zwiększona częstotliwość pracy serca, zwiększona siła skurczu, obwodowy skurcz naczyń, wzrost ciśnienia krwi rozszerzenie oskrzeli, wzrost wentylacji, wzrost pobierania tlenu zwiększona glikogenoliza, wzmożona kurczliwość zwiększona glikogenoliza i glukoneogeneza zwiększona lipoliza, wzrost poziomu kwasów tłuszczowych we krwi zmniejszone ukrwienie zmniejszony wychwyt glukozy zahamowanie funkcji

43 Stres długotrwały wydolność organizmu zmęczenie faza stabilna wydolność oczekiwana spadek aktywności obronnej organizmu wyczerpanie załamanie się funkcji obronnych organizmu rozluźnienie pobudzenie przeciążenie czas układ współczulny rdzeń nadnerczy katecholaminy oś HPA noradrenalina (walka) adrenalina (niepokój, ucieczka) CRH-ACTH-kortykoidy (bezradność, depresja) gonadotropiny testosteron (trwanie popędu płciowego) układ oksytocynoergiczny oksytocyna, prolaktyna (więzi socjalne, behawior socjalny, macierzyński, seksualny)

44 Współdziałanie czynników biorących udział w stresie McEwen 2008

45 Stenberg 2006

46 Plan ćwiczeń i tematów kowersatoriów data Wykład i ćwiczenia Konwersatorium Sposoby pobierania pokarmu, trawienie, wchłanianie. Otyłość. Cukrzyca. Zespół metaboliczny. Anoreksja i bulimia Układy krążenia i wymiany gazowej. Przystosowania krążenia i oddychania w skrajnych warunkach środowiskowych. Nurkowanie, życie w górach Gospodarka wodna i mineralna. Czy istnieje pustynia lodowa? Przekazywanie sygnału. Narządy zmysłu Ruch. Czy rzeczywiście sport to zdrowie? Stres. brak Rozród. brak

47 Dziękujęzauwagę