主題

生物隨看隨寫(二)動物的型態與功能之基本原理

那人卻在燈火闌珊處 | 2021-01-23 23:00:02

因為想再挑戰一次生物免修考試,所以繼續閱讀普通生物學動物學的部分,期望下學期能夠成功免修。


動物形態的差異

動物形狀與大小的差異源自於演化的結果,但是如果只有提到這樣的話未免太膚淺了些,因為這還是難以理解為什麼動物在不同的環境下會呈現出不同的面貌。事實上,動物在演化時形態的變異並不是像百變怪一樣想成為什麼就成為什麼,它們或多或少都會受到一些物理定律的限制而讓形態的發展在相似的環境下有一個相似的走向,這就是所謂的「趨同演化(convergent evolution)」。舉例來說,水的密度及黏滯度(黏滯度越高越不容易流動)比空氣大非常多,在水中活動的阻力必然會比在陸地上大很多,因此水生動物的型態通常呈「梭形」,也就是我們常說的流線型輪廓,好讓它們對抗阻力、快速移動。

除了外部型態的差異之外,「身體藍圖(body plan)」的複雜度也受到環境的影響,在淡水池塘中生存的水螅是一個體壁僅由兩層細胞構成的生物,其細胞因為能夠充分浸泡在池水中,因此在物質的交換上並不會有太大的問題;然而如果我們看到藍鯨這種體型龐大、體細胞表面積與體積的比值相當低的生物時,就不免好奇這種生物是如何讓自己身體的每一個細胞都交換到足夠的物質。答案就在其體內高度分支且富含褶皺的「表面」,這些表面透過細胞間液與體細胞相連,為表面積不足以交換足夠物質的細胞提供了偌大的幫助。然而,為什麼我們會演化出這麼麻煩的結果?像水螅一樣浸泡在水中簡單的交換不是很好嗎?其實關鍵就在於那些褶皺表面是位於體內,這一定程度地讓我們體內的環境維持穩定,而能夠生存在陸地上這種外界環境充滿變數的地方,好開拓更多資源繁衍後代。



動物的組織

在進入下一章前,需要科普動物的組織,其主要分為四種類型:上皮組織、結締組織、肌肉組織、神經組織,以下將分別描述。

上皮組織(epithelial tissue)

上皮組織皆具有極性,分成頂端面(apical surface)及基底面(basal surface),頂端面顧名思義朝上面對外側,通常有特化的突出部分,看到這裡,前面所提到的那些吸收養分的表面,似乎就是在講上皮組織。上皮組織依照型態及功能的不同,又分成多層扁平上皮組織、單層扁平上皮組織、偽多層柱狀上皮組織、單層柱狀上皮組織、立方上皮組織。

多層扁平上皮組織

多層扁平上皮組織顧名思義排列扁平又多層,再生相當快速、組織更新速度快,故常見於容易磨損的表面,如外層皮膚

單層扁平上皮組織

自己的理解是單層的扁平上皮組織因為只有一層膜,可以讓物質的交換更為容易,所以其常見於血管和氣囊。

偽多層柱狀上皮組織

偽多層柱狀上皮組織在頂端面有纖毛,常見於內襯鼻腔的黏膜。

單層柱狀上皮組織

單層柱狀上皮組織常出現在分泌及主動吸收養分的位置,如小腸內襯。

立方上皮組織

特化為有分泌功能的組織,構成腎小管和諸多腺體的上皮細胞。

圖源:Campbell Biology, 10th edition



結締組織(connective tissue)

圖源:Campbell Biology, 10th edition

結締組織是由三種元素構成:基質、細胞、纖維,細胞和纖維被基質圍繞,因此結締組織不像上皮組織的細胞緊密,相反的,結締組織的細胞是非常分散的。話又說回來,前面提到的纖維可以分為三種:膠原纖維、網狀纖維、彈性纖維,這些纖維的特色可以自行再去查閱,這兒就不多提。至於基質的部分,每種結締組織的基質成分不盡相同,例如在軟骨等支撐部位的基質通常是「硫酸軟骨素(chondroitin sulfate)」。
結締組織的類型又可分為以下六種:

疏鬆結締組織

為在人體分佈最廣的結締組織,在其組成中,三種纖維都有包含在內,也就是疏鬆結締組織是含有膠原纖維、網狀纖維和彈性纖維的。疏鬆結締組織負責連接上皮組織與下層的組織,能將器官固定在固定的位置。

緻密結締組織

其因為含有大量膠原纖維,且排列整齊緻密而得名,要知道膠原纖維是一種強韌的纖維,從兩邊拉扯時不容易斷裂。因此,這種強而有力的組織見於連接肌肉與骨骼的「肌腱」,或是骨骼間相連的「韌帶」。

脂肪組織

脂肪組織是疏鬆結締組織特化而來,具有填充身體的功能,其細胞類似脂肪球,裡面都有一個大的脂肪油滴,是儲存脂肪的地方。

硬骨

人體的骨骼有非常大的比例是硬骨,其源自於在基質中的「造骨細胞」,造骨細胞會分泌含有膠原蛋白的基質。在圍觀的角度下,可以發現硬骨由骨元(哈氏系統)構成,其圍繞著一個中央管,管內含有供給骨質的血管和神經。

軟骨

軟骨的基質由「軟骨細胞」製造,其分泌「硫酸軟骨素(chondroitin sulfate)」和膠原蛋白構成基質,通常脊椎動物在成長發育的過程中,軟骨會逐漸被置換為硬骨,不過仍有少數軟骨留存於成熟人體中,例如椎間盤。


*肌肉和神經組織留到之後有心想打再打

動物的回饋控制迴路

談完了動物的外在發展如何受到環境控制及認識動物的基本組織之後,我們接下來繼續探討動物的內在:包括動物的恆定機制大體上是什麼、不同物種對於溫度恆定的回應有什麼樣的差異等等問題,皆有待本節慢慢敘述。

一、動物體內恆定的機制

動物對於外界環境因子變化的回應主要可以用以下的例子來敘述(這裡以溫度為例):今天有一個恆溫器,這個恆溫器的上有一感應器,當外界溫度低於「設定值」時,恆溫器就會啟動加熱;反之,當感應器感應到外界溫度過冷時,恆溫器就會停止,讓溫度再度回到設定值。當外界的溫度刺激「感應器」時,感應器發送訊號至恆溫器,恆溫器便會對此做出「回應」,這種藉由回應而使身體產生恆定的做法就會稱為「回饋控制」。

動物體的恆定通常是「負回饋」在控制,意思就是動物傾向於藉由抑制刺激的調控機制來維持身體的恆定。至於「正回饋」對於動物體而言,用處通常是在某些特定的、短暫的情境裡,例如子宮收縮分娩。

二、動物體內恆定的變化調整

然而到這裡,雖然我們已經了解恆定的機制,但我們還是要知道其設定值並不是像機器一樣一直維持同樣的「設定值」,意思就是這些「恆定的標準」會受到一些因素而有所調整。這些因素包含:近日節律、順應環境變化等。
近日節律使一天中的體溫會有所跌宕,這是一種在24小時之間所發生的生理上的週期變化;而當我們在爬高山時,其逐漸適應高山稀薄空氣的過程也是一種恆定的調節,這就是為什麼爬高山的人通常不會一次上山,而會在某些定點休息調整一陣子再上山。

三、不同物種對於溫度刺激回應的異同

內溫、外溫動物是大家耳熟能詳的名字,但是除了知道內溫動物不會隨外界溫度而改變自身溫度等知識以外,內外溫動物在自然界中有何優勢或劣勢、內外溫動物調控自身溫度的機制又有什麼,都是可以談的問題。

首先,內溫動物在自然界中的優勢在於,牠們能夠在環境有巨大波動時,仍能維持體內溫度的恆定性。又或著,在外溫動物無法忍受的溼熱環境中,能夠承受這些負擔。然而,即使內溫動物的維持策略看似十分有效,維持身體的溫度實際上是件耗能的工作。外溫動物在體溫隨外界溫度下降的過程中,能夠同時降低代謝速率,這讓許多外溫動物比內溫動物所需耗費的能量更少,在許多環境下,外溫動物的策略是奏效的,因此外溫動物在現今的生物界裡數量豐富且物種多樣。

接著,要開始敘述不同物種是如何以不同的方式來維持體內熱量的恆定。


絕熱作用

哺乳類與鳥類主要的熱量恆定方法並不是用循環性調節這種複雜的方法,而是直接用皮膜系統阻絕熱量散失,這是非常簡單但有效的辦法。

循環性調節

一般哺乳類動物血流量增減的問題在這邊就不提,比較特別的是一種稱為「逆流交換」的機制來維持核心區域溫度的方法。在硬骨魚、昆蟲、鳥類中常常會見到這種調節,牠們的血管動脈與靜脈緊靠,這使得在動脈溫熱血液的熱量可以傳送到靜脈(因為熱會從溫度高往溫度低傳)。藉由這樣先把熱量傳輸到那些「要輸回核心區域的血液」的方法,可以避免熱量太快散失到環境中,而是大多數保留在血管裡。
                                     

圖源:Campbell Biology, 10th edition

蒸發散熱

對於恆溫動物而言,我們在環境溫度高的時候會傾向於排出汗水,就是為了讓液體蒸發而帶走熱量,這也可以解釋為什麼天氣一熱就很想跳入游泳池游泳,除了水溫較低以外,身體上都是水對於散熱的助益也不小。

行為上的回應

不論是恆溫動物與變溫動物,都會對環境溫度變化產生行為上的回應。例如:蜻蜓將自己的翅膀和屁股挺的高高的是一種演化的結果,這麼做的蜻蜓可以讓陽光曝曬身體的表面積降到最小。

調整代謝熱量

內溫動物必須一直抵抗外界溫度的變化,當溫度下降時,就會提高所謂的「產熱作用(thermogenesis)」速率。「產熱作用」又分為顫抖性產熱與非顫抖性產熱。顫抖性產熱顧名思義就是動物體藉由肌肉的活動而使產熱作用增加;非顫抖性產熱則是動物體藉由分泌激素,使粒線體代謝速率上升,產生更多熱。
反正,經過這兩種產熱作用,能大幅提升哺乳類等內溫動物的產熱效率。


寫到這,掰掰


51 巴幣: 0
好想住在輕策莊
https://truth.bahamut.com.tw/s01/202101/fed674451d248084f8958737d59b67c4.PNG
2021-01-23 23:39:24

更多創作