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
在本讲座中，以及之前的和接下来的讲座中，我探讨了我在生物学方面非常薄弱的领域：生命的起源、生命的多样性和分类学/系统学。这些领域最近也发生了许多变化（通常尚未纳入教科书），我不太可能跟上最新进展，所以请帮助我将这些讲座提升到标准水平......这篇文章最初写于2006年，并多次重新发布，包括在2010年。
您可能知道，我已经向成人教育计划中的非传统学生教授 BIO101（以及 BIO102 实验课）大约十二年了。我不时在博客上公开思考这件事（参见这里，这里，这里，这里，这里，这里 和 这里，了解一些关于它的简短帖子，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原始文献的重要性）。这个项目的学生质量多年来稳步提高，但我仍然受到时间的极大限制：在八周内，我与学生有八次 4 小时的会议。在这段时间里，我必须教给他们非科学专业所需的所有生物学知识，还要留出足够的时间让每个学生进行展示（关于他们最喜欢的动植物的科学知识）和两次考试。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：概念而不是琐事，与他们生活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进行课堂讨论，他们的家庭作业包括寻找有趣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，再到生理学和进化。我认为效果很好，但这很难做到。他们还要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职员工都在学校工作多年了。我们经验丰富，显然我们知道自己在做什么。因此，他们最近给了我们更大的自由来设计我们自己的教学大纲，而不是遵循预定义的教学大纲，只要课程的最终目标保持不变即可。我不完全确定我什么时候再次教授 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，所以我教的一些东西现在已经过时了。并非任何人都能跟上如此庞大的生物学所有领域的进展，但至少影响入门课程教学的重大更新是我需要了解的。
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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跟在后面），并请您帮我进行事实核查。如果我弄错了什么，或者有什么过时了，请告诉我（但如果问题尚未解决，请不要仅仅推销您自己首选的假设——请给我完整的争议解释）。如果有什么明显遗漏，请告诉我。如果有些内容可以用更优美的语言表达，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酷炫图像、文章、博客文章、视频、播客、可视化、动画、游戏等，请告诉我。最后，当我们完成所有讲座后，让我们讨论总体教学大纲——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。
这些帖子非常旧，最初是在私人设置的课堂博客上，而不是公开的。我不知道这些图片来自哪里，尽管许多可能来自我当时使用的教科书。如果图片是您的，需要署名或删除，请告诉我。谢谢。
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上周我们研究了参与身体功能调节和控制的器官系统：神经系统、感觉系统、内分泌系统和昼夜节律系统。本周，我们将介绍受调节和控制的器官系统。同样，我们将使用斑马和狮子的例子来强调所有器官系统如何协同工作以维持身体的最佳内部条件
因此，如果您是一只斑马，您听到并看到狮子靠近（感觉系统），大脑（神经系统）会触发应激反应（内分泌系统）。这很可能发生在白天，因为两种动物的生物钟（昼夜节律系统）使它们成为昼行性动物，即白天活动的动物（与夜行性或夜间活动的动物相反）。如果追逐发生在夜间，狮子会跑得更慢，斑马需要更长的时间才能产生应激反应。两种动物的感觉系统的灵敏度也会降低，从而受到不利影响。
应激反应的另一个名称是战斗或逃跑反应。考虑到狮子的体型、力量和武器，斑马的大脑不太可能做出战斗的决定。
逃跑，即跑开，是斑马的最佳行动方案。
斑马的惊人速度和狮子的狩猎策略是协同进化军备竞赛的结果。让我们看看当斑马开始奔跑时，它的身体会发生什么。
奔跑是运动。在脊椎动物中，运动是通过附着在内骨骼骨骼上的肌肉的收缩和舒张来完成的。肌肉与骨骼的附着点称为肌腱（一块骨骼和另一块骨骼之间的附着点称为韧带）。通过位于骨骼两侧的肌肉的交替收缩和舒张，骨骼围绕关节移动，蹄子推动地面并推动身体前进。
是什么使骨骼肌收缩？肌肉由许多肌细胞组成。每个细胞都非常长而细，每个细胞都接收来自运动神经元的突触连接。这种突触（称为“神经肌肉接头”）的神经递质是乙酰胆碱。乙酰胆碱释放到突触间隙并与其在肌细胞膜表面的受体结合，会触发钙流入细胞，以及从细胞内储存（内质网）释放钙。
肌细胞分为多个节段。肌细胞中充满了长而细的肌动蛋白和肌球蛋白分子，这些分子沿着节段的整个长度纵向延伸。肌球蛋白是两种分子中较厚的一种。它包含肌球蛋白头，肌球蛋白头通过与肌动蛋白丝结合形成横桥。ATP 是使肌球蛋白头从肌动蛋白上脱离所必需的，而钙是使肌球蛋白头再次附着所必需的——在沿着丝的更远的新位置。以这种方式，两种分子相互滑动。当它们这样做时，肌细胞的每个节段都会缩短，因此整个肌细胞都会缩短——这就是收缩。
因此，为了使肌肉收缩，肌细胞必须获得钙和 ATP 的供应。钙由许多器官调节。钙摄入（吸收）到体内受消化系统控制。钙的损失（排泄）受肾脏调节。钙沉积在骨骼中。这三个过程（肠道吸收、尿液排泄和骨骼沉积）均受激素控制：甲状旁腺素（甲状旁腺）、降钙素（甲状腺）、雌二醇（卵巢和肾上腺皮质）和维生素 D（皮肤合成的激素）。如果肌细胞缺乏钙，则会释放甲状旁腺素，同时降钙素和雌二醇会受到抑制。这将增加肠道的吸收，减少尿液的损失，并从骨骼中释放一些钙。
肌肉收缩的另一个要求是 ATP。它是在葡萄糖分解过程中合成的。葡萄糖生化分解的前几个步骤（糖酵解）不需要氧气，仅产生少量 ATP 分子。葡萄糖生化分解的最后几个步骤（克雷布斯循环）发生在线粒体中（肌细胞有很多线粒体），需要氧气的存在，并产生大量 ATP 分子。
因此，为了合成肌肉收缩所需的足够量的 ATP，肌细胞需要葡萄糖和氧气。两者都通过循环系统通过血液输送到肌肉。血液中的氧气与血红蛋白分子结合。血红蛋白紧密地包裹在红细胞内。在肌肉中，红细胞中的氧气浓度高于周围组织，因此血红蛋白释放氧气，氧气遵循其浓度梯度。在肺部，空气中的氧气浓度高于血液中的氧气浓度，因此氧气进入血液并与血红蛋白结合。二氧化碳的作用相反——它也遵循自身的浓度梯度，因此离开肌细胞并与附近毛细血管中的血红蛋白结合，然后离开红细胞并扩散到肺部的空气中。
在应激反应期间，肾上腺素（来自肾上腺髓质）和交感神经系统会加快心率，从而提高血液在组织中循环的速度。与此同时，肌肉中的毛细血管扩张（张开），使更多的血液灌注肌细胞。
心脏是一个大的肌肉器官。心脏中的所有肌细胞都通过间隙连接相互连接，因此电位在心脏中传播得非常快。来自肺部的含氧血液通过肺静脉进入心脏的左心房（心脏的四个腔室之一）。它从左心房流到左心室。当左心室充满时，心脏的收缩会将血液排出到主动脉——身体最大的动脉。主动脉分支成许多其他动脉，将血液输送到身体的所有部位。动脉越来越小的分支最终终止于毛细血管。
毛细血管是血管，仅由具有孔隙的非常薄的单细胞层构成，这使得许多分子能够根据其浓度梯度离开血液或进入血液。富氧血液进入毛细血管并释放氧气。
贫氧血液从毛细血管移动到小静脉，小静脉汇合成越来越大的静脉，最后汇合成腔静脉。腔静脉进入心脏的右心房。从那里，贫氧血液充满右心室。当心脏收缩时，血液被排出到肺动脉，肺动脉将血液输送到肺部，在那里血液再次富含氧气。
呼吸频率和深度也会增加，从而增加血液中的氧气浓度。此外，工作的肌肉会产生热量。较高的温度使血红蛋白更容易将氧气释放到肌肉中。与此同时，肺部的通气量增加（通过肋间肌和隔膜），降低了肺部空气的温度，这使得血红蛋白更容易结合氧气。所有这些都使更多氧气可供工作的肌肉使用。
尽管如此，在剧烈运动仅几秒钟后，肌肉中的氧气储备就会耗尽。葡萄糖现在仅通过糖酵解（厌氧）分解。结果，葡萄糖代谢的最终产物不是水和二氧化碳，而是乳酸——使疲劳的肌肉疼痛的物质。乳酸的存在降低了肌肉中的局部 pH 值，这也使得血红蛋白更容易将额外的氧气释放到肌肉中，但血液带来更多氧气的能力被工作肌细胞的氧气需求所淹没。
肌肉从哪里获得葡萄糖？体内的大部分葡萄糖以糖原的形式储存在肌肉细胞和肝细胞中。胰高血糖素和皮质醇等激素会触发糖原分解为葡萄糖分子，并将葡萄糖从肝脏释放到血液中，从而使其可供肌肉使用。
但是，葡萄糖储备从何而来？来自食物，食物通过消化系统摄入、消化和吸收。
食物的消化始于口腔，唾液开始分解碳水化合物的过程，同时使食物变软，以便牙齿和舌头将食物分解成更小的颗粒，以便吞咽。然后食物通过食道进入胃。胃是一个肌肉器官。它分泌盐酸和许多消化酶。胃的运动进一步将食物变成液体。胃的运动，就像许多其他内脏器官一样，是由于平滑肌的活动。这些是短得多的肌细胞，与骨骼肌不同，它们不受随意控制。胃和肠道的肌肉受到交感神经系统的抑制，因此消化在应激反应期间减慢——消化过程太慢，无法以逃离狮子所需的速度为肌肉提供葡萄糖，因此消化业务（非常耗能）被推迟到应激事件结束后。
一旦食物被胃完全液化，它就会通过幽门括约肌进入小肠的第一部分——十二指肠。在这里，胃的强酸性内容物被中和，消化道其余部分的 pH 值呈弱碱性。在十二指肠的开始处，两个重要的器官将其产物添加到肠腔中——肝脏和胰腺。肝脏产生胆汁，胆汁储存在胆囊中并分泌到十二指肠中。胆汁是盐的混合物，其作用类似于洗涤剂——将大的脂肪球分解成更小的液滴，从而使脂肪易于被酶分解。胰腺产生多种消化酶，这些酶与肠道酶一起分解不同类型的食物分子：蛋白质、碳水化合物、脂质、核酸、各种矿物质、维生素等。
小肠的下一部分是最长的——空肠——其次是回肠。一般来说，在草食动物中，小肠非常长，而在肉食动物（例如，狮子）中，小肠相对较短。大部分营养物质的消化和吸收都是由小肠完成的。
被肠道吸收的小食物分子被肝门静脉系统吸收——这是一个将血液输送到肝脏的血管系统。肝脏是身体的化工厂——它分解毒素和食物，用更简单的构建块构建新分子，并通过将它们释放到主动脉血液中使身体其他部位可以使用这些分子。
大肠——盲肠、结肠和直肠——主要参与水分的重吸收，因此不会通过粪便流失。在某些动物中，消化道的各个部分会扩大并包含充满细菌和原生生物的腔室，这些细菌和原生生物能够分解动物自身无法消化的食物物质（例如，纤维素）。在反刍动物（例如，牛、羊、骆驼、长颈鹿）中，胃起着这种作用——它分为四个大的腔室。在马和斑马中，盲肠起着相同的作用。在人类中，盲肠是一个退化器官——剩下的只是无功能的阑尾。
如果您到目前为止注意力集中，您可能会注意到一个模式。在应激反应期间——在这种情况下是奔跑——最重要的器官系统是运动系统——骨骼肌。参与为肌肉提供最佳内部环境以实现最大功能的其他每个器官系统，即控制钙或为肌肉提供葡萄糖和氧气的系统，都受到控制和调节机制的刺激。所有其他系统都被抑制甚至完全关闭——它们消耗宝贵的能量。如果肌肉成功地发挥其功能并且斑马逃脱，这些系统的正常功能可以恢复。
但是，非必需系统消耗能量可能导致斑马没有足够的能量以最大速度奔跑足够长的时间来躲避狮子。被狮子吃掉肯定对斑马的体内平衡不利！
与消化系统一起，在应激反应期间受到抑制的其他系统是免疫系统（我们将在本课程中不介绍）、排泄系统（肾脏）和生殖系统。与狮子相比，抵抗细菌并没有那么重要——这可以等待几分钟。在逃离狮子时，不得不停下来小便也不是一个好主意。不用说，在逃离凶猛的捕食者的过程中，从事生殖功能是不可能的——但幸存者将有机会稍后繁殖，将他们的基因传递给下一代——这些基因包含有关构建身体的信息，该身体能够有效地分配资源以逃脱狮子的攻击。
所以，现在你——斑马——已经成功地从狮子那里逃脱了，所有功能都恢复正常——呼吸和心率减慢，葡萄糖在胰岛素的影响下重新以糖原的形式沉积在肝脏和肌肉中，消化重新开始，免疫系统重新启动。现在让我们看一下剩下的两个系统——排泄和生殖。
排泄系统的主要器官是肾脏。肾脏由数十亿个称为肾单位的小管组成。在每个肾单位的开始处，毛细血管网将大量水和其他分子释放到肾单位中。然后，沿着肾单位的长度，肾单位、邻近的毛细血管和它们之间的空间之间会发生交换。一些物质，例如，葡萄糖，完全从肾单位中重新吸收并返回血液。有毒和废物积极地从血液分泌到肾单位中。许多离子也发生交换，导致 pH 值发生受调节的变化。最后，在抗利尿激素和醛固酮的控制下，大部分水也被重新吸收。控制尿液中排泄多少水以及重新吸收到血液中的水量不仅对于防止水分流失很重要，而且对于控制血压也很重要。尿液收集在膀胱中，当膀胱充满时，通过尿道排出体外环境。
睾丸是男性生殖系统的主要器官。除了作为内分泌腺——分泌睾酮——之外，这里还是精子细胞在睾丸的长而曲折的管道内从干细胞中不断产生的地方。成熟的精子细胞——精子——收集在睾丸表面的附睾中。在交配结束时，在性高潮期间，精子细胞通过输精管（输精管）和尿道（位于阴茎内）射入女性的阴道。在射出过程中，精子细胞与三个腺体——前列腺、精囊和尿道球腺的分泌物混合，这些腺体为精子细胞在酸性女性生殖道的不适宜区域中的存活提供了最佳环境（例如，pH 值、糖类）。
在女性中，卵巢是产生激素雌二醇和孕酮的器官。所有卵细胞都在出生前储存在卵巢中，即出生后不再产生新的卵子。在每个周期中，一个卵细胞成熟——它在自身周围形成一个大的卵泡。排卵是卵泡破裂并将卵子释放到输卵管的时刻。如果没有受精发生，卵子连同子宫内膜一起从身体中脱落（月经）。如果受精确实发生在输卵管中，受精卵会移动到子宫并植入其壁中。卵巢中留下的空卵泡变成黄体，黄体在整个怀孕期间分泌孕酮。受精卵开始发育。它的一部分发育成胎盘，另一部分发育成胚胎。
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