本文發表於《大眾科學》的前部落格網路，反映了作者的觀點，不一定反映《大眾科學》的觀點
在本次講座，以及之前的和下一次講座中，我將探討生物學中我真正薄弱的領域：生命的起源、生命的多樣性以及分類學/系統學。這些也是最近發生了很多變化的領域（通常尚未納入教科書），我不太可能跟上最新的進展，所以請幫助我將這些講座提升到標準...... 這篇文章最初寫於2006年，並多次重新發布，包括在2010年。
正如您可能知道的，我已經向成人教育計劃中的非傳統學生教授 BIO101（以及 BIO102 實驗室）大約十二年了。我不時在部落格上公開思考這個問題（請參閱 此， 此， 此， 此， 此， 此和 此 ，瞭解一些關於它的簡短文章 - 從影片的使用，到課堂部落格的使用，到開放獲取對於學生閱讀主要文獻的重要性）。多年來，該計劃學生的素質穩步提高，但我仍然受到時間的極大限制：我與學生有八次 4 小時的會議，為期八週。在這段時間裡，我必須教授他們所有非科學專業所需的生物學知識，並留出足夠的時間讓每個學生進行演示（關於他們最喜歡的植物和動物的科學）以及兩次考試。因此，我必須將講座精簡到最基本的內容，並希望這些基本內容是非科學專業真正需要了解的：概念而不是事實，與他們生活的其他方面的關係而不是與其他科學的關係。因此，我在講座後會播放影片和課堂討論，他們的作業包括查詢很酷的生物學影片或文章，並將連結釋出在課堂部落格上供所有人檢視。我曾幾次使用瘧疾作為連線所有主題的線索 - 從細胞生物學到生態學到生理學到進化。我認為效果很好，但很難做到。他們還寫一篇關於生理學某些方面的期末論文。
另一個新的發展是，管理部門意識到大多數教員都在學校工作了很多年。我們經驗豐富，而且顯然我們知道自己在做什麼。因此，他們最近給了我們更多的自由來設計我們自己的教學大綱，而不是遵循預先定義的大綱，只要課程的最終目標保持不變即可。我不完全確定我何時再次教授 BIO101 講座（秋末、春季？），但我希望儘早開始重新思考我的課程。我也擔心，由於我沒有積極在實驗室進行研究，因此沒有密切關注文獻，我教授的一些內容現在已經過時了。並不是說任何人都可以跟上生物學所有領域的進步，生物學是如此龐大，但至少影響入門課程教學的重大更新是我需要了解的內容。
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我需要趕上進度並更新我的講義。還有什麼比眾包更好的方法呢！因此，在接下來的幾周裡，我將重新發布我的舊講義（請注意，它們只是介紹 - 討論和影片等在課堂上緊隨其後），並將請您進行事實核查。如果我有什麼地方搞錯了或者有什麼東西過時了，請告訴我（但如果一個問題尚未解決，請不要只推銷您自己偏好的假設 - 請給我完整的爭議解釋）。如果有什麼明顯的遺漏，請告訴我。如果有些內容可以用更友好的語言表達 - 請編輯我的句子。如果您知道可以用來解釋這些基本概念的很酷的圖片、文章、部落格文章、影片、播客、視覺化、動畫、遊戲等，請告訴我。最後，一旦我們完成所有講座，讓我們討論一下整體教學大綱 - 是否有更好的方法來組織如此快節奏的課程的所有這些材料。
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解剖學是生物學的一個分支學科，研究身體的結構。它描述（並用拉丁文標記）身體的形態：身體各個部位的形狀、大小、顏色和位置，特別關注肉眼可見的內臟器官。組織學是解剖學的一個子集，描述了只能在顯微鏡下看到的東西：細胞如何組織成組織，組織如何組織成器官。（經典）胚胎學描述了組織和器官在發育過程中如何改變其形狀、大小、顏色和位置。
解剖學為研究身體器官的功能提供了地圖和工具。它描述（但不解釋）身體的結構。生理學進一步描述了身體如何運作，而進化生物學則提供了對結構和功能的解釋。
雖然人體解剖學的細節對於醫生和護士的教育至關重要（動物解剖學對於獸醫也至關重要），但我們沒有時間，也不需要過多關注精細的解剖學細節。當我們討論器官的功能時，我們將瞭解相關的解剖學：生理學。
傳統上有兩種研究（和教授）生理學的方法。第一種方法是醫學/生物化學方法。身體被細分為器官系統（例如，呼吸系統、消化系統、迴圈系統等），並且每個系統都單獨研究，從整個生物體的生理學開始，逐漸深入到器官、組織、細胞和分子的水平，最後以生理功能的生物化學結束。只研究人體。通常，病理學和疾病被用來舉例說明器官如何工作 - 就像透過更換損壞的零件來修理汽車發動機可以幫助我們瞭解發動機的正常工作原理一樣，研究疾病可以幫助我們瞭解健康人體的工作原理。
另一種方法是生態/能量方法。生理功能不是按器官系統劃分，而是按問題劃分 - 由環境強加的 - 身體需要解決以生存和繁殖的問題，例如，體溫調節（體溫）、滲透調節（鹽/水平衡）、運動（移動）、應激反應等問題，每個問題都利用多個器官系統。這種方法的一個重要方面是研究身體利用能量的方式：解決方案是否在能量上是最優的？以更節能的生理機制解決問題的個體將受到自然選擇的青睞 - 因此這種方法也深深紮根於進化背景中。最後，這種方法非常具有比較性 - 研究生活在特別不尋常或惡劣環境中的動物有助於我們瞭解人類和其他動物生理機制的起源和進化。
教科書在嘗試橋接和結合這兩種方法方面異常出色（對於一本入門生物學教科書而言）。不幸的是，我們沒有足夠的時間詳細介紹所有系統和所有問題，因此我們將堅持第一種醫學方法，僅介紹人體的一些系統，但我敦促您閱讀相關的教科書章節，以便了解生理學的生態和進化方面（更不用說動物身體解決問題的一些非常酷的例子）。提示：使用每章末尾的“自我測試”問題，如果您能正確回答它們，您就為考試做好了準備。
讓我們首先看看幾個與所有生理學相關的重要基本原則。其中一個原則是比例縮放，您應該閱讀我們下次課上討論的講義。生理學的第二個重要原則是反饋迴路現象：包括負反饋迴路和正反饋迴路。
負反饋迴路的工作方式與我們在討論行為時繪製的圖表非常相似。身體有一個感測器，用於監測身體的狀態 - 內部環境（與我們討論行為時談到的外部環境相反），例如，血液中的氧氣和二氧化碳水平、血壓、肌肉張力等。如果內部環境中的某些東西偏離了正常的最佳值，感測器會通知整合器（通常是神經系統），整合器會啟動行動（透過效應器）將身體帶回正常狀態。
因此，事件 A 導致反應 B，反應 B 導致對抗和消除事件 A。身體中的幾乎每個功能都像負反饋迴路一樣運作。例如，如果分泌一種激素，除了該激素的功能作用外，還會觸發負反饋迴路，從而阻止該激素的進一步分泌。
身體中很少有功能遵循不同的模式 - 正反饋迴路。在那裡，事件 A 導致反應 B，反應 B 導致事件 A 的重新啟動和加強，從而導致更強的反應 B……依此類推，直到達到閾值或完成最終目標，然後一切突然恢復正常。
下週我們將看看神經系統中發生的正反饋迴路的例子。現在，讓我們列出人體中其他一些值得注意的正反饋迴路。
首先，血液凝固機制是一系列生化反應，其運作原理與此相同。損傷刺激分子的產生，該分子觸發另一個分子的產生，該分子觸發另一個分子的產生以及更多第一個分子的產生，依此類推，直到損傷完全閉合。
分娩是正反饋迴路的另一個例子。當嬰兒準備出來時（此時無法阻止！），它會釋放一種激素，觸發子宮的第一次收縮。子宮的收縮將嬰兒稍微推出。嬰兒的移動拉伸了子宮壁。子宮壁包含拉伸感受器，它們向大腦傳送訊號。為了響應訊號，大腦（實際上是垂體後葉，它是大腦的突出部分）釋放激素催產素。催產素進入血液併到達子宮，觸發下一次收縮，這反過來又移動嬰兒，從而進一步拉伸子宮壁，從而導致更多催產素的釋放……依此類推，直到嬰兒被排出，然後一切恢復正常。
正反饋迴路的下一個例子也與嬰兒有關 - 哺乳。當嬰兒飢餓時，母親將其嘴巴靠近乳房的乳頭。當嬰兒含住乳頭並嘗試吮吸時，這會刺激乳頭中的感受器，這些感受器會通知大腦。大腦從垂體後葉釋放激素催產素。催產素進入血液並刺激乳腺釋放乳汁（不是合成乳汁 - 它已經儲存在乳房中）。乳汁在乳頭處的釋放刺激嬰兒開始大力吮吸，這會更強烈地刺激乳頭中的感受器，因此垂體釋放的催產素更多，乳腺釋放的乳汁也更多，依此類推，直到嬰兒飽腹並從乳房上鬆開，然後一切恢復正常。
正反饋迴路的下一個例子也與嬰兒有關，但提前九個月。性交 - 是的，性行為 - 是正反饋迴路的一個例子，在女性和男性中都是如此。生殖器的初始刺激會刺激觸覺感受器，這些感受器會通知大腦，大腦反過來會刺激運動的繼續（和逐漸加速），這提供了進一步的觸覺刺激，依此類推，直到性高潮，之後一切恢復正常（餘韻另當別論）。
最後一個例子也適用於身體的下部區域。排尿（排尿）也是一個正反饋迴路。膀胱壁的構造方式使其具有多層細胞。隨著膀胱充滿，膀胱壁會拉伸，這些細胞會移動，直到膀胱壁只有一層細胞厚。在這一點上，排尿是不可避免的（無法透過自願控制來阻止）。排尿的開始啟動了細胞從單層狀態到多層狀態的恢復運動。這進一步收縮膀胱，迫使尿液排出更多，從而使膀胱壁收縮更多，依此類推，直到膀胱完全排空，一切恢復正常。
反饋迴路的概念對於理解體內平衡原理至關重要。體內平衡機制確保內部環境保持恆定，所有引數（例如，溫度、pH 值、鹽/水平衡等）隨著時間的推移保持在其最佳水平。如果環境的變化（例如，暴露於高溫或寒冷）導致體內溫度的變化，則身體中的溫覺感受器會感知到這一點。這會觸發糾正機制：如果身體過熱，皮膚中的毛細血管會擴張並輻射熱量，汗腺會釋放汗液；如果身體過冷，皮膚中的毛細血管會收縮，肌肉開始顫抖，毛髮豎立（雞皮疙瘩），甲狀腺激素會釋放，導致肌肉線粒體膜上的孔開啟，從而降低葡萄糖分解為水和二氧化碳的效率，從而產生過多的熱量。無論哪種方式，體溫都將恢復到其最佳水平（大約 37 攝氏度），這被稱為體溫的設定點。內部環境的每個方面都有其自身的設定點，該設定點由體內平衡機制來維持。
雖然本質上是正確的，但體內平衡的概念存在一個問題。“體內平衡”這個術語的問題之一是語言上的：體內平衡這個術語本身具有誤導性。“Homeo”的意思是“相似、相同”，而“stasis”的意思是“穩定”。因此，“體內平衡”（由沃爾特·坎農在 20 世紀初創造）這個詞暗示著強烈而絕對的恆定性。想象一下，有人告訴您在 10 秒內繪製體內平衡概念的圖形表示。如果沒有足夠的時間思考，您可能會畫出類似這樣的東西
該圖的主要特徵是設定點隨時間推移是恆定的。但這並不是它在現實世界中運作的方式。上面的圖表僅在時間尺度（X 軸）僅跨越幾秒到幾分鐘時才是正確的。如果將其擴充套件到幾小時、幾天或幾年，則該圖表將是錯誤的 - 該線將不再是直線和水平線。設定點以可預測且受控的方式變化。例如，人類男性一生中血液中睪酮水平的設定點可能如下所示
這將是設定點發育控制的一個例子。在每個時間點，該設定點都受到體內平衡機制的保護，但設定點值本身受其他生理過程控制。設定點受控變化的另一個例子可能如下所示
這將是設定點振盪控制的一個例子。在 20 世紀 80 年代初期，尼古拉斯·姆羅索夫斯基創造了一個新術語來取代“體內平衡”，專門用於表示所有生化、生理和行為值的設定點的受控變化 - 變定平衡。
幾乎生理學（和行為學）的每個方面都表現出變定平衡，包括髮育性和振盪性（每日和/或年度節律）。一些值得注意的例外是血液 pH 值（必須保持在非常窄的 7.35-7.45 範圍內）和血液中的鈣水平。如果 pH 值或鈣水平偏離最佳值太遠，身體中的細胞（最明顯的是神經細胞、肌肉細胞和心臟細胞）就無法正常運作，身體就有立即死亡的危險。
附加閱讀材料
《醫學需要進化》 by Nesse, Stearns and Omenn
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