Fizjologia i regulacja metabolizmu Wykład 1. Zwierzę w środowisku

dr Magdalena Markowska Zakład Fizjologii Zwierząt

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

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.

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

Środowisko wewnętrzne organizmu Eckert et al., 1988

Znacznym wahaniom wskaźników środowiska zewnętrznego odpowiadają małe wahania wewnętrzne Eckert et al., 2002

Każdy ma taką homeostazę jaką umożliwia precyzja jego mechanizmów regulacyjnych czyli mechanizmów homeostatycznych. za Rafał Skoczylas

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

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

------------------

475

54

10

10

554

Chełbia

474

53

10

10

580

Kalmar

456

55

11

22

578

Płastuga

180

1

3

4

160

0,2

0,5

+

3

6

2

107

1,6

2,3

3

70

2

5

4

104

Słodka

------------------

0,4

Karaś złoty

142

Żaba trawna

92

Człowiek

141

0,2

+ - ilości śladowe Konformiści: chełbia, kalmar Zwierzęta regulujące: płastuga, karaś, żaba, człowiek.

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 Środowisko Czynnik środowiska Gęstość ośrodka Opór Wyporność Zawartość O2 Zawartość CO2 Wahania temperatury Światło Rozpuszczalność związków

wodne

lądowe

Wysoka Duży Duża 3,5% 1,7% Niewielkie Rozproszone Duża

Niska Mały Mała 21% 0,03% Duże Pełne Mała

Gęstość – opór – wyporność Rozmiar

Płetwal błekitny (max. 31 m i 200 ton)

Słoń afrykański (max. 7,5 m i 6 ton)

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

Gęstość – opór – wyporność Ruch Kształt ciała maksymalnie zmniejszający opór wody

Tuńczyk (100 km/godz.)

Delfin

Marlin (110 km/godz.)

Gęstość – opór – wyporność Ruch

Agama

Gepard

Jeleń

Sokół

Ważka

Wąż

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.

Temperatura WODA

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

LĄD

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

Temperatura otoczenia Wilgotne lasy tropikalne (wysoka)

Góry (bardzo niskie)

Gorąca pustynia (dobowe wahania)

Strefa umiarkowana (wahania sezonowe) Pasmo pływów strefy przybrzeżnej (gwałtowne zmiany) Jeziora, rzeki (stratyfikacja termiczna, Podziemne zimowe zamarzanie) kryjówki (umiarkowana i stabilna)

Zróżnicowana Stabilna Niska i stabilna

Ujścia źródeł hydrotermalnych (>100°C)

Termoklina

Stało- i zmiennocieplność

Stałocieplność jest bardzo kosztowna energetycznie!

Energia

Jeszcze jedno porównanie

Jeszcze jedno porównanie

Zawartość O2 i CO2 -wymiana gazowa Wymiana gazowa zachodzi na zasadzie dyfuzji!!! Przez powierzchnię ciała lub dzięki wyspecjalizowanym strukturom. Układ rozprowadzający gazy.

Zawartość O2 i CO2 -wymiana gazowa

Zawartość O2 i CO2 -wymiana gazowa Woda

Zewnętrzny aparat wymiany gazowej

Zawartość O2 i CO2 -wymiana gazowa Ląd

Wewnętrzny aparat wymiany gazowej

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.

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)

wydalanie mocznika wydalanie mocznika

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

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.

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.

Układy utrzymujące homeostazę środowisko zewnętrzne czynniki psychiczne, stres

UKŁAD NERWOWY

światło - ciemność

SZYSZYNKA

środowisko wewnętrzne

antygeny

UKŁAD UKŁAD ENDOKRYNOWY ODPORNOŚCIOWY

Rodzaje komunikacji pomiędzy komórkami

Chemiczny przekaźnik Przekaźnictwo sygnału Krwioobieg

Łącze niskooporowe

Chemiczny przekaźnik Receptor Receptor

Chemiczny przekaźnik Przekaźnictwo sygnału

Przekaźnictwo sygnału

Odpowiedź Odpowiedź

Chemiczny przekaźnik (neurotransmiter)

Odpowiedź

Receptor Przekaźnictwo sygnału

Odpowiedź

Bezpośrednia

Autokrynowa i parakrynowa

Dokrewna

Nerwowa

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

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.

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

Co się dzieje w organizmie 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

wydolność organizmu

Stres długotrwały wydolność oczekiwana zmęczenie spadek aktywności obronnej organizmu wyczerpanie faza stabilna rozluźnienie

pobudzenie

załamanie się funkcji obronnych organizmu przeciążenie

czas

noradrenalina (walka) układ współczulny rdzeń nadnerczy katecholaminy oś HPA

gonadotropiny

układ oksytocynoergiczny

adrenalina (niepokój, ucieczka)

CRH-ACTH-kortykoidy (bezradność, depresja)

testosteron (trwanie popędu płciowego)

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

Współdziałanie czynników biorących udział w stresie

McEwen 2008

Stenberg 2006

Plan ćwiczeń i tematów kowersatoriów data

Wykład i ćwiczenia

Konwersatorium

22.02

Sposoby pobierania pokarmu, trawienie, wchłanianie.

Otyłość. Cukrzyca. Zespół metaboliczny. Anoreksja i bulimia.

8.03

Układy krążenia i wymiany gazowej.

Przystosowania krążenia i oddychania w skrajnych warunkach środowiskowych. Nurkowanie, życie w górach.

29.03

Gospodarka wodna i mineralna.

Czy istnieje pustynia lodowa?

19.04

Przekazywanie sygnału.

Narządy zmysłu.

10.05

Ruch.

Czy rzeczywiście sport to zdrowie?

17.05

Stres.

brak

24.05

Rozród.

brak

Dziękuję za uwagę