I. Mitä (eläin)fysiologia on?

Transkriptio

1 I. Mitä (eläin)fysiologia on? Luento IV Tutkii eläinten ja niiden osien toimintoja. Tutkii elintoimintojen merkitystä sopeutumisessa ympäristöön. Tutkii toimintamekanismeja ja selittää toimintoja mekanismeista käsin. Miten? Integroiva tieteenala: Miten molekyylien, solujen, kudosten ja elinten yhteistoiminta ylläpitää elimistön i tasapainotilaa. til I. Mitä (eläin)fysiologia on? Genotyyppi Evoluutio Yhdistävät teemat : Aikuinen fenotyyppi Molekyylit 1) Fysiologiset i toiminnot i t noudattavat t kemian ja fysiikan lakeja. 2) Fysiologiset toiminnot ovat yleensä tarkasti säädeltyjä. 3) Fysiologinen fenotyyppi syntyy genotyypin ja ympäristön yhteisvaikutuksesta. 4) Genotyyppi on evolutiivisten prosessien tulos. Yksilönkehitys Ympäristö Solut Kudokset Elimet Elimistöt Fysiologia ja Käyttäytyminen Lisääntyminen Sattuma Luonnonvalinta

2 I. Mitä (eläin)fysiologia on? Eläinten yhteinen ongelma: sopeutuminen ympäristöön 1. Evolutiivinen sopeutuminen (adaptaatio). Lajien sopeutuminen ympäristöön Luonnonvalinnan tuottamat erilaiset fysiologiset ratkaisut Muutokset geenifrekvensseissä Palautumaton (irreversiibeli) 2. Fysiologinen sopeutuminen (akklimaatio, fysiologinen joustavuus). Yksilön sopeutuminen ympäristöön Muutokset geenien ilmenemisessä (ekspressiossa) Palautuva (reversiibeli) Elimistön i mukautuvuus (fenotyyppinen plastisuus) Esim. vuodenaikaisiin muutoksiin. Konvergenttinen evoluutio: fysiikan lait sanelevat reunaehdot evolutiivisille ratkaisuilla I. Mitä (eläin)fysiologia on? I. Mitä (eläin)fysiologia on? Rk Rakenteen ja toiminnan i vastaavuus (histologia vs. fysiologia) Organisaatiotasot: i atomit, molekyylit, lk li soluelimet, solut, kudokset, elimet, elimistöt, eliöt, populaatiot. Kudokset: epiteelikudos, sidekudos, lihaskudos ja hermokudos Elimet Elimistöti

3 I. Mitä (eläin)fysiologia on? Elimistöt Elimet Päätehtävät Fysiologian jako: I. Mitä (eläin)fysiologia on? Yleinen fysiologia (eliöiden yhteiset piirteet) Ekofysiologia (fysiologian merkitys lajin levinneisyydessä ja runsaudessa) Evoluutiofysiologia (miten lajien fysiologiset piirteet ovat syntyneet) Vertaileva fysiologia (lajien väliset erot; sopeutumat ympäristöön) Kehitysfysiologia (fysiologiset muutokset yksilönkehityksen kuluessa) Solu- ja molekyylifysiologia jne. It Integratiivinen tiii fysiologia il i (eri organisaatiotasojen tit yhteistoiminta htiti it geeneistä koko organismiin) Hyönteis-, kala- ja nisäkäsfysiologia jne. Hermo-, aistin- ja lihasfysiologia jne. Mitä fysiologit tekevät? II. Bioenergetiikka Avoin järjestelmä ottaa ympäristöstä ainetta ja energiaa, joiden avulla se pysyy dynaamisessa tasapainotilassa il (steadystate). Fysiologia i tutkii tkiiaineiden id ja energian kulkua ja niiden muutoksia eläimissä. X A B Y Post-doc vaiheen työpaikoissa tehdään tutkimusta joko hiirillä (52%) tai soluviljelmillä (43%).

4 Eläimet ovat avoimia järjestelmiä: Ne ottavat ympäristöstä ainetta ja energiaa. Eläimet ovat heterotrofisia. Aineenvaihdunnan nopeus kertoo kuinka paljon eläin tarvitsee energiaa: 1) Pysyäkseen hengissä 2) Erilaisia toimintoja varten Mitataan epäsuorasti hapen kulutuksena tai suorasti lämmöntuottona. Yksikkönä 1 kcal = kj Perusaineenvaihdunnannope us (basal metabolic rate, BMR): Tätä termiä käytetään vain endotermisille ( tasalämpöisille ) eläimille! BMR mitataan: Paastonneelta eläimeltä Eläimen ollessa lepotilassa (liikkumatta) Termoneutraalilämpötilassa Miehet kcal/päivä; Naiset kcal/päivä

5 Vakioaineenvaihdunnannopeus (standard dmetabolic rate, SMR): Ektotermisten ( vaihtolämpöisten ) eläinten aineenvaihdunnan nopeudesta käytetään tätä termiä (Huom! perusaineenvaihdunnan nopeus mitataan termoneutraalilämpötilassa, jota ektotermisillä t illä eläimillä illä ei ole!). SMR mitataan: Paastonneelta eläimeltä Eläimen ollessa lepotilassa Tietyssä lämpötilassa Stressittömässä ympäristössä Aineenvaihdunnan nopeus riippuu: Iästä Sukupuolesta (Ruumiin ja ympäristön) lämpötilasta Ravinnon laadusta ja määrästä Aktiivisuustasosta Hapen saatavuudesta Vuorokaudenajasta Hormonitasapainosta Eläimen koosta Eläimen koko ja metabolia: Spesifinen metabolianopeus = aineenvaihdunnan nopeus (BMR/SMR) painoyksikköä kohden (esim. kcal/kg) Pienillä eläimillä spesifinen metabolianopeus on korkeampi k kuin suurilla eläimillä. illä Heijastuu suurena hapen tarpeena: Korkea hengitystaajuus Korkea sydämen lyöntitaajuus Suuri veritilavuus jne. Isommalla eläimellä kokonaisenergiankulutus on suurempi kuin pienillä. Lämmönsäätelyn osuus energiankulutuksesta on suuri pienikokoisilla. Ektotermiset eläimet kuluttavat vähemmän energiaa kuin endotermiset eläimet.

6 Logaritminen asteikko Huom! Sama koko (massa). Energiankulutus maksimirasituksessa: ektoterminen vs. endoterminen eläin Massaspesifinen energiankulutus (kulutus painoyksikköä kohden) on suurempi pienillä kuin suurilla eläimillä. SMR Rasituksen keston pidetessä, suoritustaso putoaa enemmän ektotermisellä eläimellä. Aerobinen energiantuotanto heikompi ektotermisellä eläimellä Glykolyysin merkitys suurempi ektotermisellä eläimellä. BMR III Ruumiin rakenne ja ympäristö 1. Eläimen koko: Massaspesifinen aineenvaihdunnan nopeus on kääntäen verrannollinen kokoon. Mitä pienempi eläin sitä korkeampi aineenvaihdunnan nopeus. Sli Selitys: Suuri pintaala/tilavuussuhde, jolloin lämpö haihtuu ruumiista ja eläin tarvitsee paljon metabolista lämmöntuottoa pysyäkseen tasalämpöisenä? Mutta sama pätee myös vaihtolämpöisiin! III Ruumiin rakenne ja ympäristö 2. Eläimen muoto: Riittävä pinta-ala aineiden vaihtoon. Pinta-ala/tilavuus määrää yksisoluisten koon. Kaksikerroksinen säkki (esim. Hydra). Litteä ruumis (esim. lapamato). Suurilla eläimillä pintaa on vähän: Laajat sisäiset pinta-rakenteet; verenkierto kuljettaa niihin aineita. Pinnat suojassa kuivumiselta; mahdollistaa elämisen maalla.

7 III Ruumiin rakenne ja ympäristö Nisäkäsruumiin yhteys ympäristöön. Suuret pinnat aineiden vaihtoon. Suojassa kuivumiselta. Keuhkojen kaasujenvaihtopintaa Suolen pintaa A. Homeostaasi Eläimellä on kaksi ympäristöä: ulkoinen ja sisäinen (Claude Bernard: milieu interior). Ulkoinen ympäristö = elinympäristö Sisäinen ympäristö = kudosneste ja veri Aineiden vaihto veren ja solujen välillä. Homeostaasi: Sisäisen ympäristön vakioisuus; dynaaminen tasapainotila (Walter B. Cannon). Säädeltäviä tekijöitä: ph, lämpötila, ioniväkevyys jne. B. Homeostaattiset säätelyjärjestelmät. Tunnistin (sensor) havaitsee muutoksen. Valvontakeskus (control center) käsittelee viestit ja ohjaa toteuttajia. Toteuttaja (effector) tuottaa vasteen. Vaste vaikuttaa ärsykkeeseen joko heikentämällä ällä (negatiivinen i palaute) tai voimistamalla (positiivinen palaute) sitä. ärsyke = lämpötila Valvontakeskus (termostaatti) Toteuttaja (lämpöpatteri) vaste

8 Negatiivinen palaute (negative feedback): Heikentää alkuperäistä ärsykettä ja pysäyttää muutoksen tai muuttaa sen suuntaa. Muuttujan arvo heilahtelee ärsyke määräarvon (set point) kahta puolta. Esim.-1: Veren glukoosipitoisuuden säätely. Esim.-2: Ruumiin lämpötilan säätely. Todellinen lämpötila Määräarvo (esim. 37 C) toteuttaja Positiivinen palaute (positive feedback, PFB): Voimistaa ärsykettä ja vastetta Esim. 1: Kohdun supistukset synnytyksessä Esim. 2: Mahan pepsiinin muodostuminen pepsinogeenistä. PFB Esim. 3: Natriumionikanavien aukeaminen hermo- ja lihassoluissa. Aivolisäkkeen takalohkon oksitosiini Kohdun lihasten supistukset Sikiö työntyy kohdunkaulan kanavaan Kohdun seinämä venyy (2) Muodostunut pepsiiniksi pilkkoo pepsinogeenistä yhä enemmän pepsiini. PFB (3) Proteiinien hajoaminen käynnistyy ja etenee nopeasti. Ruuan proteiinit Mahan pepsinogeeni + Aktiivinen pepsiini + HCl (1) Mahan proteiineja hajottava entsyymi on inaktiivisena esiasteena, pepsinogeeninä. Suolahapon eritys saa osan pepsinogeenistä pilkkoutumaan aktiiviseksi pepsiiniksi. Eläimet voidaan jakaa kahteen ryhmään: säätelijät ja mukautujat (a) Säätelijä (regulator). Ei kestä sisäisen ympäristön muutoksia. Voi elää hyvin erilaisissa olosuhteissa, jos tehokkaat homeostaattiset mekanismit.

9 (b) Mukautuja (conformer). Edellytykset, joiden ansiosta mukautuja voi menestyä: 1. Hyvä sietokyky 2Vkii 2. Vakioinen ympäristö (esim. Eteläinen jäämeri lämpötilan suhteen) 3. Siirtyminen edullisempiin olosuhteisiin