本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定反映《大众科学》的观点
在本次讲座，以及之前的和下一次讲座中，我将探讨生物学中我真正薄弱的领域：生命的起源、生命的多样性以及分类学/系统学。这些也是最近发生了很多变化的领域（通常尚未纳入教科书），我不太可能跟上最新的进展，所以请帮助我将这些讲座提升到标准...... 这篇文章最初写于2006年，并多次重新发布，包括在2010年。
正如您可能知道的，我已经向成人教育计划中的非传统学生教授 BIO101（以及 BIO102 实验室）大约十二年了。我不时在博客上公开思考这个问题（请参阅 此， 此， 此， 此， 此， 此和 此 ，了解一些关于它的简短文章 - 从视频的使用，到课堂博客的使用，到开放获取对于学生阅读主要文献的重要性）。多年来，该计划学生的素质稳步提高，但我仍然受到时间的极大限制：我与学生有八次 4 小时的会议，为期八周。在这段时间里，我必须教授他们所有非科学专业所需的生物学知识，并留出足够的时间让每个学生进行演示（关于他们最喜欢的植物和动物的科学）以及两次考试。因此，我必须将讲座精简到最基本的内容，并希望这些基本内容是非科学专业真正需要了解的：概念而不是事实，与他们生活的其他方面的关系而不是与其他科学的关系。因此，我在讲座后会播放视频和课堂讨论，他们的作业包括查找很酷的生物学视频或文章，并将链接发布在课堂博客上供所有人查看。我曾几次使用疟疾作为连接所有主题的线索 - 从细胞生物学到生态学到生理学到进化。我认为效果很好，但很难做到。他们还写一篇关于生理学某些方面的期末论文。
另一个新的发展是，管理部门意识到大多数教员都在学校工作了很多年。我们经验丰富，而且显然我们知道自己在做什么。因此，他们最近给了我们更多的自由来设计我们自己的教学大纲，而不是遵循预先定义的大纲，只要课程的最终目标保持不变即可。我不完全确定我何时再次教授 BIO101 讲座（秋末、春季？），但我希望尽早开始重新思考我的课程。我也担心，由于我没有积极在实验室进行研究，因此没有密切关注文献，我教授的一些内容现在已经过时了。并不是说任何人都可以跟上生物学所有领域的进步，生物学是如此庞大，但至少影响入门课程教学的重大更新是我需要了解的内容。
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我需要赶上进度并更新我的讲义。还有什么比众包更好的方法呢！因此，在接下来的几周里，我将重新发布我的旧讲义（请注意，它们只是介绍 - 讨论和视频等在课堂上紧随其后），并将请您进行事实核查。如果我有什么地方搞错了或者有什么东西过时了，请告诉我（但如果一个问题尚未解决，请不要只推销您自己偏好的假设 - 请给我完整的争议解释）。如果有什么明显的遗漏，请告诉我。如果有些内容可以用更友好的语言表达 - 请编辑我的句子。如果您知道可以用来解释这些基本概念的很酷的图片、文章、博客文章、视频、播客、可视化、动画、游戏等，请告诉我。最后，一旦我们完成所有讲座，让我们讨论一下整体教学大纲 - 是否有更好的方法来组织如此快节奏的课程的所有这些材料。
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解剖学是生物学的一个分支学科，研究身体的结构。它描述（并用拉丁文标记）身体的形态：身体各个部位的形状、大小、颜色和位置，特别关注肉眼可见的内脏器官。组织学是解剖学的一个子集，描述了只能在显微镜下看到的东西：细胞如何组织成组织，组织如何组织成器官。（经典）胚胎学描述了组织和器官在发育过程中如何改变其形状、大小、颜色和位置。
解剖学为研究身体器官的功能提供了地图和工具。它描述（但不解释）身体的结构。生理学进一步描述了身体如何运作，而进化生物学则提供了对结构和功能的解释。
虽然人体解剖学的细节对于医生和护士的教育至关重要（动物解剖学对于兽医也至关重要），但我们没有时间，也不需要过多关注精细的解剖学细节。当我们讨论器官的功能时，我们将了解相关的解剖学：生理学。
传统上有两种研究（和教授）生理学的方法。第一种方法是医学/生物化学方法。身体被细分为器官系统（例如，呼吸系统、消化系统、循环系统等），并且每个系统都单独研究，从整个生物体的生理学开始，逐渐深入到器官、组织、细胞和分子的水平，最后以生理功能的生物化学结束。只研究人体。通常，病理学和疾病被用来举例说明器官如何工作 - 就像通过更换损坏的零件来修理汽车发动机可以帮助我们了解发动机的正常工作原理一样，研究疾病可以帮助我们了解健康人体的工作原理。
另一种方法是生态/能量方法。生理功能不是按器官系统划分，而是按问题划分 - 由环境强加的 - 身体需要解决以生存和繁殖的问题，例如，体温调节（体温）、渗透调节（盐/水平衡）、运动（移动）、应激反应等问题，每个问题都利用多个器官系统。这种方法的一个重要方面是研究身体利用能量的方式：解决方案是否在能量上是最优的？以更节能的生理机制解决问题的个体将受到自然选择的青睐 - 因此这种方法也深深扎根于进化背景中。最后，这种方法非常具有比较性 - 研究生活在特别不寻常或恶劣环境中的动物有助于我们了解人类和其他动物生理机制的起源和进化。
教科书在尝试桥接和结合这两种方法方面异常出色（对于一本入门生物学教科书而言）。不幸的是，我们没有足够的时间详细介绍所有系统和所有问题，因此我们将坚持第一种医学方法，仅介绍人体的一些系统，但我敦促您阅读相关的教科书章节，以便了解生理学的生态和进化方面（更不用说动物身体解决问题的一些非常酷的例子）。提示：使用每章末尾的“自我测试”问题，如果您能正确回答它们，您就为考试做好了准备。
让我们首先看看几个与所有生理学相关的重要基本原则。其中一个原则是比例缩放，您应该阅读我们下次课上讨论的讲义。生理学的第二个重要原则是反馈回路现象：包括负反馈回路和正反馈回路。
负反馈回路的工作方式与我们在讨论行为时绘制的图表非常相似。身体有一个传感器，用于监测身体的状态 - 内部环境（与我们讨论行为时谈到的外部环境相反），例如，血液中的氧气和二氧化碳水平、血压、肌肉张力等。如果内部环境中的某些东西偏离了正常的最佳值，传感器会通知整合器（通常是神经系统），整合器会启动行动（通过效应器）将身体带回正常状态。
因此，事件 A 导致反应 B，反应 B 导致对抗和消除事件 A。身体中的几乎每个功能都像负反馈回路一样运作。例如，如果分泌一种激素，除了该激素的功能作用外，还会触发负反馈回路，从而阻止该激素的进一步分泌。
身体中很少有功能遵循不同的模式 - 正反馈回路。在那里，事件 A 导致反应 B，反应 B 导致事件 A 的重新启动和加强，从而导致更强的反应 B……依此类推，直到达到阈值或完成最终目标，然后一切突然恢复正常。
下周我们将看看神经系统中发生的正反馈回路的例子。现在，让我们列出人体中其他一些值得注意的正反馈回路。
首先，血液凝固机制是一系列生化反应，其运作原理与此相同。损伤刺激分子的产生，该分子触发另一个分子的产生，该分子触发另一个分子的产生以及更多第一个分子的产生，依此类推，直到损伤完全闭合。
分娩是正反馈回路的另一个例子。当婴儿准备出来时（此时无法阻止！），它会释放一种激素，触发子宫的第一次收缩。子宫的收缩将婴儿稍微推出。婴儿的移动拉伸了子宫壁。子宫壁包含拉伸感受器，它们向大脑发送信号。为了响应信号，大脑（实际上是垂体后叶，它是大脑的突出部分）释放激素催产素。催产素进入血液并到达子宫，触发下一次收缩，这反过来又移动婴儿，从而进一步拉伸子宫壁，从而导致更多催产素的释放……依此类推，直到婴儿被排出，然后一切恢复正常。
正反馈回路的下一个例子也与婴儿有关 - 哺乳。当婴儿饥饿时，母亲将其嘴巴靠近乳房的乳头。当婴儿含住乳头并尝试吮吸时，这会刺激乳头中的感受器，这些感受器会通知大脑。大脑从垂体后叶释放激素催产素。催产素进入血液并刺激乳腺释放乳汁（不是合成乳汁 - 它已经储存在乳房中）。乳汁在乳头处的释放刺激婴儿开始大力吮吸，这会更强烈地刺激乳头中的感受器，因此垂体释放的催产素更多，乳腺释放的乳汁也更多，依此类推，直到婴儿饱腹并从乳房上松开，然后一切恢复正常。
正反馈回路的下一个例子也与婴儿有关，但提前九个月。性交 - 是的，性行为 - 是正反馈回路的一个例子，在女性和男性中都是如此。生殖器的初始刺激会刺激触觉感受器，这些感受器会通知大脑，大脑反过来会刺激运动的继续（和逐渐加速），这提供了进一步的触觉刺激，依此类推，直到性高潮，之后一切恢复正常（余韵另当别论）。
最后一个例子也适用于身体的下部区域。排尿（排尿）也是一个正反馈回路。膀胱壁的构造方式使其具有多层细胞。随着膀胱充满，膀胱壁会拉伸，这些细胞会移动，直到膀胱壁只有一层细胞厚。在这一点上，排尿是不可避免的（无法通过自愿控制来阻止）。排尿的开始启动了细胞从单层状态到多层状态的恢复运动。这进一步收缩膀胱，迫使尿液排出更多，从而使膀胱壁收缩更多，依此类推，直到膀胱完全排空，一切恢复正常。
反馈回路的概念对于理解体内平衡原理至关重要。体内平衡机制确保内部环境保持恒定，所有参数（例如，温度、pH 值、盐/水平衡等）随着时间的推移保持在其最佳水平。如果环境的变化（例如，暴露于高温或寒冷）导致体内温度的变化，则身体中的温觉感受器会感知到这一点。这会触发纠正机制：如果身体过热，皮肤中的毛细血管会扩张并辐射热量，汗腺会释放汗液；如果身体过冷，皮肤中的毛细血管会收缩，肌肉开始颤抖，毛发竖立（鸡皮疙瘩），甲状腺激素会释放，导致肌肉线粒体膜上的孔打开，从而降低葡萄糖分解为水和二氧化碳的效率，从而产生过多的热量。无论哪种方式，体温都将恢复到其最佳水平（大约 37 摄氏度），这被称为体温的设定点。内部环境的每个方面都有其自身的设定点，该设定点由体内平衡机制来维持。
虽然本质上是正确的，但体内平衡的概念存在一个问题。“体内平衡”这个术语的问题之一是语言上的：体内平衡这个术语本身具有误导性。“Homeo”的意思是“相似、相同”，而“stasis”的意思是“稳定”。因此，“体内平衡”（由沃尔特·坎农在 20 世纪初创造）这个词暗示着强烈而绝对的恒定性。想象一下，有人告诉您在 10 秒内绘制体内平衡概念的图形表示。如果没有足够的时间思考，您可能会画出类似这样的东西
该图的主要特征是设定点随时间推移是恒定的。但这并不是它在现实世界中运作的方式。上面的图表仅在时间尺度（X 轴）仅跨越几秒到几分钟时才是正确的。如果将其扩展到几小时、几天或几年，则该图表将是错误的 - 该线将不再是直线和水平线。设定点以可预测且受控的方式变化。例如，人类男性一生中血液中睾酮水平的设定点可能如下所示
这将是设定点发育控制的一个例子。在每个时间点，该设定点都受到体内平衡机制的保护，但设定点值本身受其他生理过程控制。设定点受控变化的另一个例子可能如下所示
这将是设定点振荡控制的一个例子。在 20 世纪 80 年代初期，尼古拉斯·姆罗索夫斯基创造了一个新术语来取代“体内平衡”，专门用于表示所有生化、生理和行为值的设定点的受控变化 - 变定平衡。
几乎生理学（和行为学）的每个方面都表现出变定平衡，包括发育性和振荡性（每日和/或年度节律）。一些值得注意的例外是血液 pH 值（必须保持在非常窄的 7.35-7.45 范围内）和血液中的钙水平。如果 pH 值或钙水平偏离最佳值太远，身体中的细胞（最明显的是神经细胞、肌肉细胞和心脏细胞）就无法正常运作，身体就有立即死亡的危险。
附加阅读材料
《医学需要进化》 by Nesse, Stearns and Omenn
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