Biologia per il liceo/Il corpo umano



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Piani del corpo e principali cavità

Un animale vertebrato come l'uomo, in piedi, può essere diviso da diversi piani. Un piano sagittale divide il corpo in porzioni destra e sinistra. Un piano sagittale medio divide il corpo esattamente a metà, creando due metà destra e sinistra uguali. Un piano frontale (chiamato anche piano coronale) separa la parte anteriore da quella posteriore. Un piano trasversale (o piano orizzontale) divide l'animale in porzioni superiore e inferiore. Questo è talvolta chiamato sezione trasversale e, se il taglio trasversale è ad angolo, è chiamato piano obliquo. La Figura sotto illustra questi piani su un essere umano.

Gli animali vertebrati hanno un certo numero di cavità corporee definite, come illustrato nella Figura sotto. Due di queste sono cavità principali che contengono cavità più piccole al loro interno. La cavità dorsale contiene le cavità cranica e vertebrale (o spinale). La cavità ventrale contiene la cavità toracica, che a sua volta contiene la cavità pleurica attorno ai polmoni e la cavità pericardica, che circonda il cuore. La cavità ventrale contiene anche la cavità addominopelvica, che può essere separata nelle cavità addominale e pelvica.

Tessuti primari animali

I tessuti degli animali multicellulari e complessi sono di quattro tipi principali: epiteliale, connettivo, muscolare e nervoso. Ricorda che i tessuti sono gruppi di cellule simili (cellule che svolgono funzioni correlate). Questi tessuti si combinano per formare organi, come la pelle o i reni, che hanno funzioni specifiche e specializzate all'interno del corpo. Gli organi sono organizzati in sistemi di organi per svolgere funzioni; esempi includono il sistema circolatorio, che consiste di cuore e vasi sanguigni, e il sistema digerente, costituito da diversi organi, tra cui stomaco, intestino, fegato e pancreas. I sistemi di organi si uniscono per creare un intero organismo.

Tessuti epiteliali

I tessuti epiteliali ricoprono l'esterno di organi e strutture nel corpo e rivestono i lumi degli organi in un singolo strato o in più strati di cellule. I tipi di epiteli sono classificati in base alle forme delle cellule presenti e al numero di strati di cellule. Gli epiteli composti da un singolo strato di cellule sono chiamati epiteli semplici ; il tessuto epiteliale composto da più strati è chiamato epiteli stratificati . La Tabella sotto riassume i diversi tipi di tessuti epiteliali.

Diversi tipi di tessuti epiteliali

Forma della cellula	Descrizione	Posizione
squamoso	forma rotonda piatta e irregolare	semplice: alveoli polmonari, capillari; stratificato: pelle, bocca, vagina
cuboide	a forma di cubo, nucleo centrale	ghiandole, tubuli renali
colonnare	alto, stretto, nucleo verso la base; alto, stretto, nucleo lungo la cellula	semplice: tratto digerente; pseudostratificato: tratto respiratorio
transitorio	rotondo, semplice ma apparentemente stratificato	vescica urinaria

Epiteli squamosi

Le cellule epiteliali squamose sono generalmente rotonde, piatte e hanno un piccolo nucleo centrale. Il contorno cellulare è leggermente irregolare e le cellule si adattano tra loro per formare una copertura o un rivestimento. Quando le cellule sono disposte in un singolo strato (epiteli semplici), facilitano la diffusione nei tessuti, come le aree di scambio di gas nei polmoni e lo scambio di nutrienti e rifiuti nei capillari sanguigni.


a	b


Le cellule epiteliali squamose (a) hanno una forma leggermente irregolare e un piccolo nucleo centrale (la fotografia mostra un epitelio squamoso semplice della pelle di rana. Queste cellule possono essere stratificate in strati, come nelle foto in (b) .

La Figura sopra a illustra uno strato di cellule squamose con le loro membrane unite insieme per formare un epitelio. Immagine La Figura sopra b illustra cellule epiteliali squamose disposte in strati stratificati, dove è necessaria la protezione del corpo da abrasioni e danni esterni. Questo è chiamato epitelio squamoso stratificato e si verifica nella pelle e nei tessuti che rivestono la bocca e la vagina.

Epiteli cubici

Le cellule epiteliali cuboidali , mostrate nella Figura sotto , sono a forma di cubo con un singolo nucleo centrale. Si trovano più comunemente in un singolo strato che rappresenta un semplice epiteliale nei tessuti ghiandolari in tutto il corpo, dove preparano e secernono materiale ghiandolare. Si trovano anche nelle pareti dei tubuli e nei dotti del rene e del fegato.

a	b

Le cellule epiteliali cuboidali semplici rivestono i tubuli del rene dei mammiferi, dove sono coinvolte nella filtrazione del sangue.

Epiteli colonnari

Le cellule epiteliali colonnari sono più alte che larghe: assomigliano a una pila di colonne in uno strato epiteliale e si trovano più comunemente in una disposizione a strato singolo. I nuclei delle cellule epiteliali colonnari nel tratto digerente sembrano essere allineati alla base delle cellule, come illustrato nella Figura sotto. Queste cellule assorbono materiale dal lume del tratto digerente e lo preparano per l'ingresso nel corpo attraverso i sistemi circolatorio e linfatico.

a	b

Le cellule epiteliali colonnari semplici assorbono materiale dal tratto digerente. Le cellule caliciformi secernono muco nel lume del tratto digerente

Le cellule epiteliali colonnari che rivestono il tratto respiratorio sembrano essere stratificate. Tuttavia, ogni cellula è attaccata alla membrana di base del tessuto e, pertanto, sono tessuti semplici. I nuclei sono disposti a diversi livelli nello strato di cellule, facendo sembrare che ci sia più di uno strato, come si vede nella Figura 33.10 . Questo è chiamato epiteli colonnari pseudostratificati . Questo rivestimento cellulare ha ciglia sulla superficie apicale, o libera, delle cellule. Le ciglia migliorano il movimento del muco e delle particelle intrappolate fuori dal tratto respiratorio, aiutando a proteggere il sistema da microrganismi invasivi e materiale nocivo che è stato respirato nel corpo. Le cellule caliciformi sono sparse in alcuni tessuti (come il rivestimento della trachea). Le cellule caliciformi contengono muco che intrappola gli irritanti, che nel caso della trachea impediscono a questi irritanti di entrare nei polmoni.

a	b

Gli epiteli colonnari pseudostratificati rivestono il tratto respiratorio. Esistono in uno strato, ma la disposizione dei nuclei a diversi livelli fa sembrare che ci sia più di uno strato. Le cellule caliciformi intervallate tra le cellule epiteliali colonnari secernono muco nel tratto respiratorio.

Epiteli di transizione

Le cellule di transizione o uroepiteliali compaiono solo nel sistema urinario, principalmente nella vescica e nell'uretere. Queste cellule sono disposte in uno strato stratificato, ma hanno la capacità di apparire ammucchiate l'una sull'altra in una vescica rilassata e vuota, come illustrato nella Figura sotto. Quando la vescica urinaria si riempie, lo strato epiteliale si dispiega e si espande per contenere il volume di urina introdotto al suo interno. Quando la vescica si riempie, si espande e il rivestimento diventa più sottile. In altre parole, il tessuto passa da spesso a sottile.

a	b

Gli epiteli di transizione della vescica urinaria subiscono variazioni di spessore a seconda del grado di riempimento della vescica.

Domanda: quale delle seguenti affermazioni sui tipi di cellule epiteliali è falsa?

Le cellule epiteliali colonnari semplici rivestono il tessuto polmonare.
Le cellule epiteliali cuboidali semplici sono coinvolte nella filtrazione del sangue nel rene.
Gli epiteli colonnari pseudostratificati sono formati da un unico strato, ma la disposizione dei nuclei fa sembrare che siano presenti più strati.
Lo spessore degli epiteli di transizione varia a seconda del livello di riempimento della vescica.

Tessuti connettivi

I tessuti connettivi sono costituiti da una matrice costituita da cellule viventi e da una sostanza non vivente, chiamata sostanza fondamentale. La sostanza fondamentale è composta da una sostanza organica (solitamente una proteina) e da una sostanza inorganica (solitamente un minerale o acqua). La cellula principale dei tessuti connettivi è il fibroblasto. Questa cellula produce le fibre presenti in quasi tutti i tessuti connettivi. I fibroblasti sono mobili, in grado di svolgere la mitosi e possono sintetizzare qualsiasi tessuto connettivo necessario. Macrofagi, linfociti e, occasionalmente, leucociti possono essere trovati in alcuni tessuti. Alcuni tessuti hanno cellule specializzate che non si trovano negli altri. La matrice nei tessuti connettivi conferisce al tessuto la sua densità. Quando un tessuto connettivo ha un'alta concentrazione di cellule o fibre, ha proporzionalmente una matrice meno densa.

La porzione organica o le fibre proteiche presenti nei tessuti connettivi sono fibre di collagene, elastiche o reticolari. Le fibre di collagene forniscono resistenza al tessuto, impedendo che venga strappato o separato dai tessuti circostanti. Le fibre elastiche sono costituite dalla proteina elastina; questa fibra può allungarsi fino a una volta e mezza la sua lunghezza e tornare alle sue dimensioni e forma originali. Le fibre elastiche forniscono flessibilità ai tessuti. Le fibre reticolari sono il terzo tipo di fibra proteica presente nei tessuti connettivi. Questa fibra è costituita da sottili filamenti di collagene che formano una rete di fibre per sostenere il tessuto e altri organi a cui è collegata. I vari tipi di tessuti connettivi, i tipi di cellule e fibre di cui sono costituiti e le posizioni dei campioni dei tessuti sono riassunti nella Tabella sotto.

Tessuti connettivi
Tessuto	Cellule	Fibre	Posizione
lasso/areolare	fibroblasti, macrofagi, alcuni linfociti, alcuni neutrofili	pochi: collagene, elastico, reticolare	attorno ai vasi sanguigni; ancora gli epiteli
tessuto connettivo denso e fibroso	fibroblasti, macrofagi	per lo più collagene	irregolare: pelle; regolare: tendini, legamenti
cartilagine	condrociti, condroblasti	ialino: poco: collagene fibrocartilagine: grande quantità di collagene	scheletro di squalo, ossa fetali, orecchie umane, dischi intervertebrali
osso	osteoblasti, osteociti, osteoclasti	alcuni: collagene, elastico	scheletri di vertebrati
adiposo	adipociti	pochi	adiposo (grasso)
sangue	globuli rossi, globuli bianchi	nessuno	sangue

Tessuto connettivo lasso/areolare

Il tessuto connettivo lasso , detto anche tessuto connettivo areolare, ha un campione di tutti i componenti di un tessuto connettivo. Come illustrato nella Figura sotto, il tessuto connettivo lasso ha alcuni fibroblasti; sono presenti anche macrofagi. Le fibre di collagene sono relativamente larghe e si colorano di rosa chiaro, mentre le fibre elastiche sono sottili e si colorano di blu scuro o nero. Lo spazio tra gli elementi formati del tessuto è riempito con la matrice. Il materiale nel tessuto connettivo gli conferisce una consistenza lassa simile a un batuffolo di cotone che è stato tirato a pezzi. Il tessuto connettivo lasso si trova attorno a ogni vaso sanguigno e aiuta a mantenere il vaso in posizione. Il tessuto si trova anche attorno e tra la maggior parte degli organi del corpo. In sintesi, il tessuto areolare è resistente, ma flessibile, e comprende membrane.

Tessuto connettivo fibroso

I tessuti connettivi fibrosi contengono grandi quantità di fibre di collagene e poche cellule o materiale di matrice. Le fibre possono essere disposte in modo irregolare o regolare con i filamenti allineati in parallelo. I tessuti connettivi fibrosi disposti in modo irregolare si trovano in aree del corpo in cui lo stress avviene da tutte le direzioni, come il derma della pelle. Il tessuto connettivo fibroso regolare, mostrato nella Figura sotto, si trova nei tendini (che collegano i muscoli alle ossa) e nei legamenti (che collegano le ossa alle ossa).

Cartilagine

La cartilagine è un tessuto connettivo con una grande quantità di matrice e quantità variabili di fibre. Le cellule, chiamate condrociti , costituiscono la matrice e le fibre del tessuto. I condrociti si trovano in spazi all'interno del tessuto chiamati lacune .

Una cartilagine con poche fibre di collagene ed elastiche è la cartilagine ialina, illustrata nella Figura sotto. Le lacune sono sparse casualmente nel tessuto e la matrice assume un aspetto lattiginoso o strofinato con colorazioni istologiche di routine. Gli squali hanno scheletri cartilaginei, così come quasi l'intero scheletro umano durante una specifica fase di sviluppo prenatale. Un residuo di questa cartilagine persiste nella parte esterna del naso umano. La cartilagine ialina si trova anche alle estremità delle ossa lunghe, riducendo l'attrito e ammortizzando le articolazioni di queste ossa.

La cartilagine elastica ha una grande quantità di fibre elastiche, che le conferiscono una flessibilità incredibile. Le orecchie della maggior parte degli animali vertebrati contengono questa cartilagine, così come parti della laringe o della scatola vocale. La fibrocartilagine contiene una grande quantità di fibre di collagene, che conferiscono al tessuto una forza incredibile. La fibrocartilagine comprende i dischi intervertebrali negli animali vertebrati. La cartilagine ialina presente nelle articolazioni mobili come il ginocchio e la spalla si danneggia a causa dell'età o di un trauma. La cartilagine ialina danneggiata viene sostituita dalla fibrocartilagine e fa sì che le articolazioni diventino "rigide".

Osso

L'osso, o tessuto osseo, è un tessuto connettivo che ha una grande quantità di due diversi tipi di materiale di matrice. La matrice organica è simile al materiale di matrice trovato in altri tessuti connettivi, tra cui una certa quantità di collagene e fibre elastiche. Ciò conferisce forza e flessibilità al tessuto. La matrice inorganica è composta da sali minerali, principalmente sali di calcio, che conferiscono durezza al tessuto. Senza un adeguato materiale organico nella matrice, il tessuto si rompe; senza un adeguato materiale inorganico nella matrice, il tessuto si piega.

Ci sono tre tipi di cellule nell'osso: osteoblasti, osteociti e osteoclasti. Gli osteoblasti sono attivi nella produzione di osso per la crescita e il rimodellamento. Gli osteoblasti depositano materiale osseo nella matrice e, dopo che la matrice li circonda, continuano a vivere, ma in uno stato metabolico ridotto come osteociti. Gli osteociti si trovano nelle lacune dell'osso. Gli osteoclasti sono attivi nella scomposizione dell'osso per il rimodellamento osseo e forniscono accesso al calcio immagazzinato nei tessuti. Gli osteoclasti si trovano solitamente sulla superficie del tessuto.

L'osso può essere diviso in due tipi: compatto e spugnoso. L'osso compatto si trova nella diafisi (o diafisi) di un osso lungo e sulla superficie delle ossa piatte, mentre l'osso spugnoso si trova nell'estremità (o epifisi) di un osso lungo. L'osso compatto è organizzato in subunità chiamate osteoni , come illustrato nella Figura sotto. Un vaso sanguigno e un nervo si trovano al centro della struttura all'interno del canale di Havers, con cerchi radianti di lacune attorno ad esso noti come lamelle. Le linee ondulate visibili tra le lacune sono microcanali chiamati canalicoli; collegano le lacune per favorire la diffusione tra le cellule. L'osso spugnoso è costituito da piccole placche chiamate trabecole; queste placche fungono da montanti per conferire resistenza all'osso spugnoso. Nel tempo, queste placche possono rompersi rendendo l'osso meno resiliente. Il tessuto osseo forma lo scheletro interno degli animali vertebrati, fornendo struttura all'animale e punti di attacco per i tendini.

Tessuto adiposo

Il tessuto adiposo, o tessuto adiposo, è considerato un tessuto connettivo anche se non ha fibroblasti o una vera matrice e ha solo poche fibre. Il tessuto adiposo è costituito da cellule chiamate adipociti che raccolgono e immagazzinano il grasso sotto forma di trigliceridi, per il metabolismo energetico. I tessuti adiposi servono inoltre come isolante per aiutare a mantenere la temperatura corporea, consentendo agli animali di essere endotermici, e funzionano come ammortizzatori contro i danni agli organi del corpo. Al microscopio, le cellule del tessuto adiposo appaiono vuote a causa dell'estrazione del grasso durante la lavorazione del materiale per la visualizzazione, come si vede nella Figura sotto. Le linee sottili nell'immagine sono le membrane cellulari e i nuclei sono i piccoli punti neri ai bordi delle cellule.

Sangue

Il sangue è considerato un tessuto connettivo perché ha una matrice, come mostrato nella Figura sotto . I tipi di cellule viventi sono i globuli rossi (RBC), chiamati anche eritrociti, e i globuli bianchi (WBC), chiamati anche leucociti. La porzione fluida del sangue intero, la sua matrice, è comunemente chiamata plasma.

La cellula che si trova in maggiore abbondanza nel sangue è l'eritrocita. Gli eritrociti sono contati a milioni in un campione di sangue: il numero medio di globuli rossi nei primati è di 4,7-5,5 milioni di cellule per microlitro. Gli eritrociti hanno costantemente le stesse dimensioni in una specie, ma variano in dimensioni tra le specie. Ad esempio, il diametro medio di un globulo rosso di un primate è di 7,5 µm, un cane è vicino a 7,0 µm, ma il diametro di un RBC di un gatto è di 5,9 µm. Gli eritrociti di pecora sono ancora più piccoli a 4,6 µm. Gli eritrociti dei mammiferi perdono i loro nuclei e mitocondri quando vengono rilasciati dal midollo osseo dove vengono prodotti. I globuli rossi di pesci, anfibi e uccelli mantengono i loro nuclei e mitocondri per tutta la vita della cellula. Il compito principale di un eritrocita è trasportare e fornire ossigeno ai tessuti.

I leucociti sono i globuli bianchi predominanti nel sangue periferico. I leucociti vengono contati a migliaia nel sangue con misurazioni espresse come intervalli: i conteggi dei primati vanno da 4.800 a 10.800 cellule per µl, i cani da 5.600 a 19.200 cellule per µl, i gatti da 8.000 a 25.000 cellule per µl, i bovini da 4.000 a 12.000 cellule per µl e i maiali da 11.000 a 22.000 cellule per µl.

I linfociti funzionano principalmente nella risposta immunitaria ad antigeni o materiali estranei. Diversi tipi di linfociti producono anticorpi su misura per gli antigeni estranei e controllano la produzione di quegli anticorpi. I neutrofili sono cellule fagocitiche e partecipano a una delle prime linee di difesa contro gli invasori microbici, aiutando a rimuovere i batteri che sono entrati nel corpo. Un altro leucocita che si trova nel sangue periferico è il monocita. I monociti danno origine a macrofagi fagocitici che ripuliscono le cellule morte e danneggiate nel corpo, siano esse estranee o provenienti dall'animale ospite. Altri due leucociti nel sangue sono gli eosinofili e i basofili, entrambi aiutano a facilitare la risposta infiammatoria.

Il materiale leggermente granulare tra le cellule è un frammento citoplasmatico di una cellula nel midollo osseo. Questo è chiamato piastrina o trombocita. Le piastrine partecipano alle fasi che portano alla coagulazione del sangue per fermare l'emorragia attraverso i vasi sanguigni danneggiati. Il sangue ha una serie di funzioni, ma principalmente trasporta materiale attraverso il corpo per portare nutrienti alle cellule e rimuovere da esse materiale di scarto.

Tessuti muscolari

Ci sono tre tipi di muscoli nei corpi degli animali: liscio, scheletrico e cardiaco. Differiscono per la presenza o assenza di striature o bande, il numero e la posizione dei nuclei, se sono controllati volontariamente o involontariamente e la loro posizione all'interno del corpo. La Tabella sotto riassume queste differenze.

Tipi di muscoli
Tipo di muscolo	Striature	Nuclei	Controllare	Posizione
liscio	NO	singolo, al centro	involontario	organi viscerali
scheletrico	SÌ	molti, in periferia	volontario	muscoli scheletrici
cardiaco	SÌ	singolo, al centro	involontario	cuore

Muscolo liscio

Il muscolo liscio non ha striature nelle sue cellule. Ha un singolo nucleo situato centralmente, come mostrato nella Figura sotto. La costrizione del muscolo liscio avviene sotto il controllo nervoso autonomo involontario e in risposta alle condizioni locali nei tessuti. Il tessuto muscolare liscio è anche chiamato non striato in quanto non ha l'aspetto a bande del muscolo scheletrico e cardiaco. Le pareti dei vasi sanguigni, i tubi dell'apparato digerente e i tubi degli apparati riproduttivi sono composti principalmente da muscolo liscio.

Muscolo scheletrico

Il muscolo scheletrico presenta striature nelle sue cellule causate dalla disposizione delle proteine contrattili actina e miosina. Queste cellule muscolari sono relativamente lunghe e hanno nuclei multipli lungo il bordo della cellula. Il muscolo scheletrico è sotto il controllo volontario del sistema nervoso somatico e si trova nei muscoli che muovono le ossa. La Figura sopra illustra l'istologia del muscolo scheletrico.

Muscolo cardiaco

Il muscolo cardiaco, mostrato nella Figura sopra, si trova solo nel cuore. Come il muscolo scheletrico, ha striature incrociate nelle sue cellule, ma il muscolo cardiaco ha un singolo nucleo situato centralmente. Il muscolo cardiaco non è sotto controllo volontario, ma può essere influenzato dal sistema nervoso autonomo per accelerare o rallentare. Una caratteristica aggiuntiva delle cellule del muscolo cardiaco è una linea che si estende lungo l'estremità della cellula mentre confina con la cellula cardiaca successiva nella fila. Questa linea è chiamata disco intercalato: aiuta a passare l'impulso elettrico in modo efficiente da una cellula all'altra e mantiene la forte connessione tra le cellule cardiache vicine.

Tessuti nervosi

I tessuti nervosi sono costituiti da cellule specializzate per ricevere e trasmettere impulsi elettrici da aree specifiche del corpo e per inviarli a posizioni specifiche nel corpo. La cellula principale del sistema nervoso è il neurone, illustrato nella Figura sotto. La grande struttura con un nucleo centrale è il corpo cellulare del neurone. Le proiezioni dal corpo cellulare sono dendriti specializzati nella ricezione di input o un singolo assone specializzato nella trasmissione di impulsi. Sono mostrate anche alcune cellule gliali. Gli astrociti regolano l'ambiente chimico della cellula nervosa e gli oligodendrociti isolano l'assone in modo che l'impulso nervoso elettrico venga trasferito in modo più efficiente. Altre cellule gliali che non sono mostrate supportano i requisiti nutrizionali e di scarto del neurone. Alcune delle cellule gliali sono fagocitiche e rimuovono detriti o cellule danneggiate dal tessuto. Un nervo è costituito da neuroni e cellule gliali.

Il neurone ha proiezioni chiamate dendriti che ricevono segnali e proiezioni chiamate assoni che inviano segnali. Sono inoltre mostrati due tipi di cellule gliali: gli astrociti regolano l'ambiente chimico della cellula nervosa e gli oligodendrociti isolano l'assone in modo che l'impulso nervoso elettrico venga trasferito in modo più efficiente.

L'omeostasi

Gli organi e i sistemi di organi degli animali si adattano costantemente ai cambiamenti interni ed esterni attraverso un processo chiamato omeostasi ("stato stazionario"). Questi cambiamenti potrebbero riguardare il livello di glucosio o calcio nel sangue o le temperature esterne. Omeostasi significa mantenere un equilibrio dinamico nel corpo. È dinamico perché si adatta costantemente ai cambiamenti che i sistemi del corpo incontrano. È equilibrio perché le funzioni del corpo sono mantenute entro intervalli specifici. Anche un animale apparentemente inattivo mantiene questo equilibrio omeostatico.

Processo omeostatico

L'obiettivo dell'omeostasi è il mantenimento dell'equilibrio attorno a un punto o valore chiamato set point . Mentre ci sono normali fluttuazioni dal set point, i sistemi del corpo di solito tentano di tornare a questo punto. Un cambiamento nell'ambiente interno o esterno è chiamato stimolo e viene rilevato da un recettore; la risposta del sistema è di regolare il parametro di deviazione verso il set point. Ad esempio, se il corpo diventa troppo caldo, vengono apportate delle modifiche per raffreddare l'animale. Se il glucosio nel sangue aumenta dopo un pasto, vengono apportate delle modifiche per abbassare il livello di glucosio nel sangue facendo entrare il nutriente nei tessuti che ne hanno bisogno o per conservarlo per un uso successivo.

Controllo dell'omeostasi

Quando si verifica un cambiamento nell'ambiente di un animale, è necessario apportare una modifica. Il recettore percepisce il cambiamento nell'ambiente, quindi invia un segnale al centro di controllo (nella maggior parte dei casi, il cervello) che a sua volta genera una risposta che viene segnalata a un effettore. L'effettore è un muscolo (che si contrae o si rilassa) o una ghiandola che secerne. L'omeostasi è mantenuta da cicli di feedback negativi. I cicli di feedback positivi in realtà spingono l'organismo ulteriormente fuori dall'omeostasi, ma possono essere necessari per la vita. L'omeostasi è controllata dal sistema nervoso ed endocrino dei mammiferi.

Meccanismi di feedback negativo

Qualsiasi processo omeostatico che modifica la direzione dello stimolo è un ciclo di feedback negativo . Può aumentare o diminuire lo stimolo, ma non gli è consentito di continuare come prima che il recettore lo percepisse. In altre parole, se un livello è troppo alto, il corpo fa qualcosa per abbassarlo e, al contrario, se un livello è troppo basso, il corpo fa qualcosa per farlo salire. Da qui il termine feedback negativo. Un esempio è il mantenimento dei livelli di glucosio nel sangue da parte degli animali. Quando un animale ha mangiato, i livelli di glucosio nel sangue aumentano. Ciò viene percepito dal sistema nervoso. Le cellule specializzate nel pancreas lo percepiscono e l'ormone insulina viene rilasciato dal sistema endocrino. L'insulina fa diminuire i livelli di glucosio nel sangue, come ci si aspetterebbe in un sistema di feedback negativo, come illustrato nella Figura sotto. Tuttavia, se un animale non ha mangiato e i livelli di glucosio nel sangue diminuiscono, ciò viene percepito in un altro gruppo di cellule nel pancreas e l'ormone glucagone viene rilasciato causando un aumento dei livelli di glucosio. Questo è ancora un ciclo di feedback negativo, ma non nella direzione prevista dall'uso del termine "negativo". Un altro esempio di un aumento come risultato del ciclo di feedback è il controllo del calcio nel sangue. Se i livelli di calcio diminuiscono, le cellule specializzate nella ghiandola paratiroidea lo avvertono e rilasciano l'ormone paratiroideo (PTH), causando un aumento dell'assorbimento di calcio attraverso l'intestino e i reni e, possibilmente, la rottura delle ossa per liberare calcio. Gli effetti del PTH sono di aumentare i livelli ematici dell'elemento. I cicli di feedback negativi sono il meccanismo predominante utilizzato nell'omeostasi.

Ciclo di feedback positivo

Un ciclo di feedback positivo mantiene la direzione dello stimolo, eventualmente accelerandolo. Esistono pochi esempi di cicli di feedback positivo nei corpi degli animali, ma uno si trova nella cascata di reazioni chimiche che determinano la coagulazione del sangue. Quando un fattore di coagulazione viene attivato, attiva il fattore successivo in sequenza fino a quando non si ottiene un coagulo di fibrina. La direzione viene mantenuta, non modificata, quindi questo è un feedback positivo. Un altro esempio di feedback positivo sono le contrazioni uterine durante il parto, come illustrato nella Figura sotto. L'ormone ossitocina, prodotto dal sistema endocrino, stimola la contrazione dell'utero. Ciò produce dolore percepito dal sistema nervoso. Invece di abbassare l'ossitocina e far diminuire il dolore, viene prodotta più ossitocina fino a quando le contrazioni non sono abbastanza potenti da produrre il parto.

Indica se ciascuno dei seguenti processi è regolato da un ciclo di feedback positivo o negativo.

Una persona si sente sazia dopo aver consumato un pasto abbondante.
Il sangue contiene molti globuli rossi. Di conseguenza, l'eritropoietina, un ormone che stimola la produzione di nuovi globuli rossi, non viene più rilasciata dal rene.

Punto di regolazione

È possibile regolare il set point di un sistema. Quando ciò accade, il ciclo di feedback lavora per mantenere la nuova impostazione. Un esempio di ciò è la pressione sanguigna: nel tempo, il normale o set point per la pressione sanguigna può aumentare a causa di continui aumenti della pressione sanguigna. Il corpo non riconosce più l'innalzamento come anomalo e non viene fatto alcun tentativo di tornare al set point inferiore. Il risultato è il mantenimento di una pressione sanguigna elevata che può avere effetti dannosi sul corpo. I farmaci possono abbassare la pressione sanguigna e abbassare il set point nel sistema a un livello più sano. Questo è chiamato un processo di alterazione del set point in un ciclo di feedback.

Si possono apportare modifiche a un gruppo di sistemi di organi del corpo per mantenere un punto di riferimento in un altro sistema. Questo è chiamato acclimatazione . Ciò avviene, ad esempio, quando un animale migra a un'altitudine maggiore di quella a cui è abituato. Per adattarsi ai livelli di ossigeno più bassi alla nuova altitudine, il corpo aumenta il numero di globuli rossi circolanti nel sangue per garantire un adeguato apporto di ossigeno ai tessuti. Un altro esempio di acclimatazione sono gli animali che hanno cambiamenti stagionali nel loro mantello: un mantello più pesante in inverno assicura un'adeguata ritenzione del calore e un mantello leggero in estate aiuta a impedire che la temperatura corporea salga a livelli dannosi.

Collegamento all'apprendimento

I meccanismi di feedback possono essere compresi in termini di guida di un'auto da corsa su una pista: guarda una breve lezione video sui cicli di feedback positivo e negativo.

Omeostasi: Termoregolazione

La temperatura corporea influenza le attività corporee. In genere, con l'aumento della temperatura corporea aumenta anche l'attività enzimatica. Per ogni aumento di temperatura di dieci gradi centigradi, l'attività enzimatica raddoppia, fino a un certo punto. Le proteine corporee, compresi gli enzimi, iniziano a denaturarsi e a perdere la loro funzione con calore elevato (circa 50 ° C per i mammiferi). L'attività enzimatica diminuirà della metà per ogni calo di temperatura di dieci gradi centigradi, fino al punto di congelamento, con alcune eccezioni. Alcuni pesci possono resistere al congelamento e tornare alla normalità con lo scongelamento.

Collegamento all'apprendimento

Guarda questo video di Discovery Channel sulla termoregolazione per vedere illustrazioni di questo processo in vari animali.

Endotermi ed Ectotermi

Gli animali possono essere divisi in due gruppi: alcuni mantengono una temperatura corporea costante di fronte a diverse temperature ambientali, mentre altri hanno una temperatura corporea che è la stessa del loro ambiente e quindi varia con l'ambiente. Gli animali che si affidano alle temperature esterne per impostare la loro temperatura corporea sono ectotermi. Questo gruppo è stato definito a sangue freddo, ma il termine potrebbe non applicarsi a un animale nel deserto con una temperatura corporea molto calda. A differenza degli ectotermi, i poichilotermi sono animali con temperature interne costantemente variabili. Un animale che mantiene una temperatura corporea costante di fronte a cambiamenti ambientali è chiamato omeotermo. Gli endotermi sono animali che si affidano a fonti interne per il mantenimento di una temperatura corporea relativamente costante a diverse temperature ambientali. Questi animali sono in grado di mantenere un livello di attività metabolica a temperature più basse, cosa che un ectotermi non può fare a causa di diversi livelli di attività enzimatica. Vale la pena menzionare che alcuni ectotermi e poichilotermi hanno temperature corporee relativamente costanti a causa delle temperature ambientali costanti nei loro habitat. Questi animali sono cosiddetti omeotermi ectotermi, come alcune specie di pesci di acque profonde.

Il calore può essere scambiato tra un animale e il suo ambiente attraverso quattro meccanismi: radiazione, evaporazione, convezione e conduzione ( Figura sotto). La radiazione è l'emissione di onde elettromagnetiche di "calore". Il calore proviene dal sole in questo modo e si irradia dalla pelle secca allo stesso modo. Il calore può essere rimosso con un liquido da una superficie durante l'evaporazione. Ciò si verifica quando un mammifero suda. Le correnti d'aria convettive rimuovono il calore dalla superficie della pelle secca quando l'aria vi passa sopra. Il calore verrà condotto da una superficie all'altra durante il contatto diretto con le superfici, come un animale che riposa su una roccia calda.

a	b

c	d

Il calore può essere scambiato attraverso quattro meccanismi: (a) radiazione, (b) evaporazione, (c) convezione o (d) conduzione.

Conservazione e dissipazione del calore

Gli animali conservano o dissipano il calore in vari modi. In certi climi, gli animali endotermici hanno una qualche forma di isolamento, come pelliccia, grasso, piume o una combinazione di questi. Gli animali con pelliccia o piume folte creano uno strato isolante di aria tra la loro pelle e gli organi interni. Gli orsi polari e le foche vivono e nuotano in un ambiente sotto lo zero e tuttavia mantengono una temperatura corporea costante e calda. La volpe artica, ad esempio, usa la sua coda soffice come isolamento extra quando si rannicchia per dormire quando fa freddo. I mammiferi hanno un effetto residuo dai brividi e dall'aumento dell'attività muscolare: i muscoli erettori del pelo causano la "pelle d'oca", facendo rizzare piccoli peli quando l'individuo ha freddo; questo ha l'effetto desiderato di aumentare la temperatura corporea. I mammiferi usano strati di grasso per raggiungere lo stesso scopo. La perdita di quantità significative di grasso corporeo comprometterà la capacità di un individuo di conservare il calore.

Gli endotermi usano i loro sistemi circolatori per aiutare a mantenere la temperatura corporea. La vasodilatazione porta più sangue e calore alla superficie corporea, facilitando la radiazione e la perdita di calore per evaporazione, che aiuta a raffreddare il corpo. La vasocostrizione riduce il flusso sanguigno nei vasi sanguigni periferici, forzando il sangue verso il nucleo e gli organi vitali che si trovano lì e conservando il calore. Alcuni animali hanno adattamenti al loro sistema circolatorio che consentono loro di trasferire calore dalle arterie alle vene, riscaldando il sangue che torna al cuore. Questo è chiamato scambio di calore controcorrente; impedisce al sangue venoso freddo di raffreddare il cuore e altri organi interni. Questo adattamento può essere disattivato in alcuni animali per evitare il surriscaldamento degli organi interni. L'adattamento controcorrente si trova in molti animali, tra cui delfini, squali, pesci ossei, api e colibrì. Al contrario, adattamenti simili possono aiutare a raffreddare gli endotermi quando necessario, come le pinne dei delfini e le orecchie degli elefanti.

Alcuni animali ectotermi usano cambiamenti nel loro comportamento per aiutare a regolare la temperatura corporea. Ad esempio, un animale ectotermi del deserto può semplicemente cercare aree più fresche durante la parte più calda della giornata nel deserto per evitare di surriscaldarsi troppo. Gli stessi animali possono arrampicarsi sulle rocce per catturare calore durante una fredda notte nel deserto. Alcuni animali cercano acqua per aiutare l'evaporazione a raffreddarli, come si vede nei rettili. Altri ectotermi usano attività di gruppo come l'attività delle api per riscaldare un alveare per sopravvivere all'inverno.

Molti animali, in particolare i mammiferi, usano il calore di scarto metabolico come fonte di calore. Quando i muscoli sono contratti, la maggior parte dell'energia dell'ATP utilizzata nelle azioni muscolari è energia sprecata che si traduce in calore. Il freddo intenso provoca un riflesso di brividi che genera calore per il corpo. Molte specie hanno anche un tipo di tessuto adiposo chiamato grasso bruno che è specializzato nella generazione di calore.

Controllo neurale della termoregolazione

Il sistema nervoso è importante per la termoregolazione , come illustrato nella Figura sotto. I processi di omeostasi e controllo della temperatura sono centrati nell'ipotalamo del cervello animale avanzato.

Quando i batteri vengono distrutti dai leucociti, i pirogeni vengono rilasciati nel sangue. I pirogeni ripristinano il termostato del corpo a una temperatura più alta, causando la febbre. In che modo i pirogeni possono causare l'aumento della temperatura corporea?

L'ipotalamo mantiene il punto di regolazione della temperatura corporea attraverso riflessi che causano vasodilatazione e sudorazione quando il corpo è troppo caldo, o vasocostrizione e brividi quando il corpo è troppo freddo. Risponde alle sostanze chimiche del corpo. Quando un batterio viene distrutto dai leucociti fagocitari, vengono rilasciate nel sangue delle sostanze chimiche chiamate pirogeni endogeni. Questi pirogeni circolano nell'ipotalamo e ripristinano il termostato. Ciò consente alla temperatura corporea di aumentare in quella che è comunemente chiamata febbre. Un aumento della temperatura corporea fa sì che il ferro venga conservato, il che riduce un nutriente necessario ai batteri. Un aumento del calore corporeo aumenta anche l'attività degli enzimi e delle cellule protettive dell'animale, inibendo al contempo gli enzimi e l'attività dei microrganismi invasori. Infine, il calore stesso può anche uccidere il patogeno. Una febbre che un tempo si pensava fosse una complicazione di un'infezione è ora intesa come un normale meccanismo di difesa.