本文發表於《大眾科學》的前部落格網路，反映了作者的觀點，不一定代表《大眾科學》的觀點
在本次講座以及之前的和接下來的講座中，我將探討我真正薄弱的生物學領域：生命的起源、生命的多樣性和分類學/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水平……這篇文章最初寫於2006年，並重新發布了幾次，包括在2010年。
您可能知道，我已經為成人教育計劃中的非傳統學生教授 BIO101（以及 BIO102 實驗課）大約十二年了。我不時在部落格上公開思考這件事（參見這個、這個、這個、這個、這個、這個和這個，其中包含一些關於這方面各個方面的簡短文章 - 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，該計劃學生的質量穩步提高，但我仍然受到時間的極大限制：在八週內，我與學生有八次 4 小時的會議。在這段時間裡，我必須教給他們非科學專業所需的所有生物學知識，還要留出足夠的時間讓每個學生做一個報告（關於他們最喜歡的植物和動物的科學），以及進行兩次考試。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知道的：概念而不是瑣事，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並進行課堂討論，他們的家庭作業包括找到很酷的生物學影片或文章，並將連結釋出到課堂部落格上供所有人觀看。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。我認為這效果很好，但很難做到。他們還就生理學的某個方面寫一篇期末論文。
另一個新的發展是，行政部門已經意識到，大多數教師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教學大綱，只要課程的最終目標保持不變即可。我不完全確定我什麼時候再次教授 BIO101 講座（秋季末、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，我所教的一些東西現在已經過時了。並不是說有人可以跟上如此龐大的生物學所有領域的進步，但至少影響入門課程教學的重大更新是我需要知道的。
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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 - 課堂上會進行討論和影片等），並請您幫我核實事實。如果我有什麼地方錯了或有什麼東西過時了，請告訴我（但如果問題尚未解決，請不要只推銷您自己喜歡的假設 - 請給我整個爭議的解釋）。如果有什麼明顯的遺漏，請告訴我。如果有些東西可以用更優美的語言表達 - 請編輯我的句子。如果您知道任何很酷的圖片、文章、部落格文章、影片、播客、視覺化、動畫、遊戲等可以用來解釋這些基本概念，請告訴我。最後，一旦我們完成所有講座的這項工作，讓我們討論一下整體教學大綱 - 對於這樣一個快節奏的課程，是否有更好的組織所有這些材料的方法。
這些帖子非常舊，最初是在一個私有設定的課堂部落格上，而不是公開的。我已經不知道這些圖片來自哪裡了，儘管許多可能來自我當時使用的教科書。如果圖片是您的，需要署名或刪除，請告訴我。謝謝您。
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在短短兩次講座中詳細介紹所有器官系統是不可能的。因此，我們將僅限於基礎知識。儘管如此，我還是想強調器官系統是如何協同工作的，共同維持身體的穩態（和動態平衡）。我還想強調器官系統之間的界限是多麼模糊 - 許多器官在解剖學和功能上都同時是兩個或多個器官系統的組成部分。因此，我將使用一個您在動物行為研究中熟悉的例子 - 應激反應 - 來闡明當面臨挑戰時，所有器官系統協調一致的反應的統一性。我們將使用我們舊的斑馬和獅子的例子作為路線圖，探索（人類，以及一般的哺乳動物）生理學
所以，你是一隻斑馬，快樂地在稀樹草原上吃草。突然你聽到草叢裡傳來沙沙聲。你是怎麼聽到的？
獅子的移動產生了空氣的振盪。這些振盪對你耳朵裡的鼓膜施加了壓力。鼓膜的振動引起中耳內三塊小骨頭的振動，進而引起內耳耳蝸的振動。
耳蝸是一個螺旋形的細長管道。如果聲音的音調很高（振盪頻率很高），則只有耳蝸的第一部分會振動。對於最低頻率，甚至耳蝸的尖端也會開始振動。耳蝸充滿了液體。在這種液體中，有一層薄膜橫貫耳蝸的長度。當耳蝸振動時，這層薄膜也會振動，這些振動會移動耳蝸中感覺細胞表面上的毛髮狀突起。這些細胞向大腦傳送電脈衝，在那裡聲音被處理併成為有意識的感覺 - 你聽到了獅子的移動。
對聲音的感知讓你環顧四周 - 是的，有一隻獅子正在潛伏著你，準備撲過來！你是怎麼看到獅子的？從獅子表面反射的光波傳播到你的眼睛，透過瞳孔進入，穿過晶狀體並擊中眼睛後部的視網膜。
眼睛中的感光細胞（視杆細胞和視錐細胞）含有一種色素 - 一種有色分子 - 當受到光線照射時，其 3D 結構會發生變化。在視杆細胞中，這種色素被稱為視紫紅質，用於黑白視覺。在視錐細胞中，有類似的色素 - 視蛋白 - 它們對特定波長的光（顏色）最敏感，用於檢測顏色。色素 3D 結構的變化啟動了一連串的生化反應，導致細胞電勢發生變化 - 然後將此資訊傳遞到下一個細胞、再下一個細胞，依此類推，直到它到達大腦，在那裡有關物體（獅子和周圍的草）的形狀、顏色和運動的資訊被處理並變得有意識。
耳朵和眼睛是感覺系統的器官的例子。聽覺是許多機械感覺之一 - 其他的包括觸覺、疼痛、平衡、肌肉和肌腱中的牽張感受器等。許多動物能夠聽到我們無法檢測到的聲音。例如，蝙蝠和它們的一些昆蟲獵物可以檢測到高音調的超聲波（共同進化的軍備競賽的一個案例）。海豚和它們的一些魚類獵物也是如此。狗也可以 - 這就是為什麼我們聽不到狗哨的原因。另一方面，許多大型動物，例如鯨魚、大象、長頸鹿、犀牛、鱷魚，甚至可能是牛和馬，都可以檢測到次聲的深沉隆隆聲。
視覺是一種檢測可見光譜中輻射的感覺。許多動物能夠看到我們可見光譜之外的光。例如，許多昆蟲和鳥類以及一些小型哺乳動物可以看到紫外線，而一些蛇（例如，響尾蛇等蝮蛇和蟒蛇等蟒蛇）和一些昆蟲（例如，Melanophila 甲蟲和一些黃蜂）可以感知紅外線。
另一種感覺型別是溫度感受 - 檢測冷熱。化學感覺與特定的分子有關。嗅覺（氣味）和味覺（味道）是最著名的化學感覺。化學感覺也存在於我們體內 - 它們能夠檢測血液 pH 值、血液中的氧氣、二氧化碳、鈣、葡萄糖水平等。最後，一些動物能夠檢測環境的其他物理特性，例如電場和磁場。
所有感覺都遵循相同的原理：來自外部或內部環境的刺激由一種特殊的細胞檢測到。細胞內部開始發生化學級聯反應 - 這就是轉導。這改變了細胞的特性 - 通常是其細胞膜電位 - 這被傳遞從感覺細胞傳遞到相鄰的神經細胞，再到下一個細胞、再下一個細胞，依此類推，直到它在神經系統的適當區域（通常是大腦）結束。在那裡，來自感覺器官所有細胞的所有刺激的總和被解釋（整合和及時處理），並觸發必要的行動。這種行動可以是行為性的（運動），也可以是生理性的：維持穩態。
感覺資訊由中樞神經系統 (CNS) 處理：大腦和脊髓。
所有將資訊從外周傳遞到中樞神經系統的神經細胞都是感覺神經。所有將中樞神經系統做出的決定傳遞給效應器 - 肌肉或腺體 - 的神經都是運動神經。感覺和運動通路共同構成外周神經系統。
運動通路進一步分為兩個領域：軀體神經系統受自主控制，而自主（植物性）神經系統是非自主的。自主神經系統有兩個分支：交感神經和副交感神經。交感神經系統在壓力期間活躍 - 它作用於許多其他器官系統，釋放能量儲備，刺激反應所需的器官，並抑制不重要的器官。
因此，一隻即將被獅子襲擊的斑馬錶現出應激反應。交感神經系統釋放肝臟中的葡萄糖（能量）儲備，刺激快速逃生所需的器官 - 肌肉 - 以及為肌肉提供能量所需的所有其他系統 - 迴圈系統和呼吸系統。與此同時，消化、免疫、排洩和生殖受到抑制。一旦斑馬成功躲避獅子，交感神經系統就會受到抑制，而副交感神經系統會受到刺激 - 它會逆轉所有這些影響。這兩個系統拮抗地工作：它們始終具有相反的效果。
但是，神經系統是如何工作的呢？讓我們看看神經細胞 - 神經元
典型的神經元有一個細胞體（胞體），其中包含細胞核和其他細胞器。它有許多細而短的突起 - 樹突 - 將來自其他相鄰細胞的資訊帶入神經細胞，以及一個大的、長的突起 - 軸突 - 將資訊從細胞帶到另一個細胞。
細胞膜存在電勢 - 細胞內部和外部的電壓是不同的。與外部相比，神經元內部通常負 70mV 左右 (-70mV)。這種極化是由細胞膜中特殊的蛋白質 - 離子通道和離子轉運蛋白完成的。利用來自 ATP 的能量，它們將鈉離子轉運到細胞外，將鉀離子轉運到細胞內（也將氯離子轉運到細胞內）。由於離子在一定程度上可以透過膜洩漏，細胞必須不斷利用能量來維持靜息膜電位。
來自另一個細胞的電脈衝將改變樹突的膜電位。這種變化通常不足以誘導神經元做出反應。然而，如果許多這樣的刺激同時發生，它們是累加的 - 神經元會在任何給定時間總結它獲得的所有興奮性和抑制性脈衝。如果脈衝的總和很大，當膜電位的變化穿過胞體併到達軸突的起始處 - 軸丘時，變化仍然會很大。如果軸丘處的膜電位的變化超過閾值（大約 -40mV 左右），這將誘導軸丘處的鈉通道開啟。鈉離子順著其濃度梯度湧入。這導致膜進一步去極化，進而導致更多鈉通道開啟，從而使膜進一步去極化 - 這是一個正反饋環 - 直到所有鈉通道都開啟，膜電位現在為正。達到此電壓會誘導鉀通道開啟。鉀離子順著其濃度梯度湧出。這導致膜復極化。整個過程 - 從最初的小去極化，到快速的鈉離子驅動的去極化，隨後的鉀離子驅動的復極化，導致一個小超射和恢復到正常的靜息電位 - 稱為動作電位，可以這樣繪製圖表
軸丘處產生的動作電位導致軸突下方相鄰膜的膜電位發生變化，在那裡產生新的動作電位，進而導致軸突進一步向下膜的去極化，依此類推，直到電脈衝到達軸突的末端。在脊椎動物中，稱為雪旺細胞的特殊細胞包裹在軸突周圍，起到類似絕緣帶的作用。因此，動作電位不是逐漸沿軸突向下傳播，而是跳躍式前進 - 這使得電傳輸速度更快 - 如果軸突像長頸鹿後腿的神經一樣長達三米，這是必要的。
軸突末端會發生什麼？在那裡，膜極性的變化導致鈣通道開啟，鈣離子湧入（這就是為什麼鈣穩態如此重要）。軸突末端包含許多充滿神經遞質的小囊泡。鈣離子的湧入刺激這些囊泡與細胞膜融合並將神經遞質釋放到細胞外。這種化學物質最終進入軸突末端和另一個細胞膜（例如，另一個神經元的樹突）之間的非常小的空間中。另一個細胞的膜上有對這種神經遞質作出反應的膜受體。受體的啟用導致區域性膜電位變化。興奮性神經遞質使膜去極化（使其更正），而抑制性神經遞質使膜超極化 - 使其更負，因此更難產生動作電位。
神經細胞的目標可以是另一個神經元、肌肉細胞或腺體。許多腺體是內分泌腺 - 它們將其化學產物，激素，釋放到血液中。激素透過受體作用於遠距離目標。雖然神經系統中資訊的傳遞非常快 - 毫秒，但在內分泌系統中，需要幾秒、幾分鐘、幾小時、幾天、幾個月（懷孕），甚至幾年（青春期）才能在目標中誘導效果。雖然神經系統內的傳輸是區域性的（細胞到細胞）並且距離非常短 - 突觸內的間隙以埃為單位測量 - 但內分泌系統內的傳輸是遠距離和全域性的 - 它影響每個擁有正確型別受體的細胞。
許多內分泌腺在應激反應期間受到調節，其中許多內分泌腺參與應激反應。甲狀腺釋放甲狀腺素 - 一種透過核受體發揮作用的激素。甲狀腺素在體內具有許多功能，其中一些功能與身體的能量學有關 - 從儲存中釋放能量並在線粒體中產生熱量。它還產生降鈣素，降鈣素是血液中鈣水平的調節劑之一。
甲狀旁腺在人類中嵌入在甲狀腺內。其激素，甲狀旁腺素是鈣穩態的關鍵激素。降鈣素和甲狀旁腺素是拮抗劑：前者降低血鈣，後者升高血鈣。它們共同微調神經元、肌肉和心肌細胞正常功能所需的鈣水平。
胰腺分泌胰島素和胰高血糖素。胰島素從血液中去除葡萄糖並將其儲存在肌肉和肝細胞中。胰高血糖素具有相反的作用 - 它從其儲存中釋放葡萄糖，並使其可用於需要能量的細胞，例如，奔跑的斑馬的肌肉細胞。這兩種激素共同微調身體的葡萄糖穩態。
腎上腺有兩層。中心是腎上腺髓質。它是神經系統的一部分，它釋放腎上腺素和去甲腎上腺素（也稱為腎上腺素和去甲腎上腺素）。這些是應激反應的關鍵激素。它們具有與交感神經系統相同的所有作用，這並不奇怪，因為去甲腎上腺素是交感神經系統神經元使用的神經遞質（副交感神經系統使用乙醯膽鹼作為遞質）。
外層是腎上腺皮質。它分泌許多激素。最重要的是醛固酮（參與鹽和水平衡）和皮質醇，皮質醇是另一種重要的應激激素 - 它從儲存中動員葡萄糖，並使其可用於需要的器官。性類固醇激素也在腎上腺皮質中產生。睪酮分泌過多可能導致女性出現一些男性特徵，例如，長鬍須。
卵巢和睪丸分泌性類固醇激素。睪丸分泌睪酮，而卵巢分泌雌二醇（一種雌激素）和孕酮。孕酮刺激乳腺的生長併為懷孕做好子宮的準備。雌二醇刺激女性第二性徵的發育（例如，一般體型、脂肪沉積和毛髮生長模式、乳房生長），並參與每月為懷孕做準備。
睪酮在男性胚胎的發育中非常重要。我們的預設狀態是女性。發育過程中缺乏性類固醇會導致女孩的發育（即使孩子在基因上是男性）。在發育的特定時刻分泌睪酮會將女性生殖器變成男性生殖器，並啟動許多器官（包括大腦）對青春期開始時發生的第二次睪酮激增做出反應。那時，啟動的組織以男性特有的方式發育，發展男性第二性徵（例如，低沉的聲音、鬍鬚、更大的肌肉質量、生殖器生長、男性典型的行為等）。
許多其他器官也分泌激素以及它們的其他功能。心臟、腎臟、肺、腸和皮膚也都是內分泌系統的成員。胸腺是一種內分泌腺，參與免疫系統的發育 - 一旦免疫系統成熟，胸腺就會萎縮並消失。
許多內分泌腺本身都受到垂體分泌的其他激素的控制 - 垂體是內分泌系統的總司令。例如，垂體前葉分泌激素，這些激素刺激甲狀腺釋放甲狀腺素、腎上腺皮質釋放皮質醇以及性腺形成性類固醇。垂體前葉分泌的其他激素是催乳素（除其他外，刺激乳汁產生）和生長激素（刺激細胞產生自分泌和旁分泌激素，從而刺激細胞分裂）。垂體後葉實際上是大腦的一部分 - 它分泌兩種激素：抗利尿激素（控制水平衡）和催產素（除其他功能外，刺激排乳和子宮收縮）。
所有這些垂體激素反過來又受到下丘腦分泌的激素/因子的控制（刺激或抑制），下丘腦是大腦的一部分，這使得大腦成為所有內分泌腺中最大和最重要的。
松果體是大腦的一部分（因此是中樞神經系統）。在除哺乳動物和蛇以外的所有脊椎動物中，它也是一種感覺器官 - 它感知光線（光線很容易穿過鱗片/羽毛、皮膚和頭骨）。在季節性繁殖的哺乳動物中，它被認為是生殖系統的一部分。在所有脊椎動物中，它也是一種內分泌器官 - 它分泌一種激素褪黑素。在所有脊椎動物中，松果體都是晝夜節律系統的重要組成部分 - 晝夜節律系統參與身體所有生理和行為功能的每日計時。在許多種類的脊椎動物中（哺乳動物除外），松果體是晝夜節律系統的主時鐘。在哺乳動物中，主時鐘位於大腦的下丘腦中，位於稱為視交叉上核 (SCN) 的結構中。
視網膜是眼睛（感覺系統）的一部分，它是大腦（神經系統）的一部分，它還分泌褪黑素（內分泌系統），並且在所有脊椎動物中都包含晝夜節律時鐘（晝夜節律系統）。在某些種類的鳥類中，主時鐘位於眼睛的視網膜中。光強度晝夜差異夾帶（同步）晝夜節律系統與環境中的週期。這些光強度差異由視網膜感知，但不是由感光細胞（視杆細胞和視錐細胞）感知。相反，一小部分視網膜神經節細胞（適當的神經細胞）包含一種感光色素視黑素，當暴露於光線下時，其 3D 結構會發生變化，並將其訊號傳送到大腦中的 SCN。
無論主時鐘位於何處（SCN、松果體或視網膜），在任何特定物種中，其主要功能是協調身體中每個細胞中發現的外周晝夜節律時鐘的計時。編碼對特定組織功能重要的蛋白質的基因（例如，肝細胞中的肝酶、神經細胞中的神經遞質等）在基因表達中表現出每日節律。因此，所有生化、生理和行為功能都表現出每日（晝夜節律）節律，例如，體溫、血壓、睡眠、認知能力等。值得注意的例外是必須保持在非常狹窄的值範圍內的功能，例如，血液 pH 值和血液鈣濃度。
因此，神經系統、內分泌系統、感覺系統和晝夜節律系統都參與身體其他功能的控制和調節。下週我們將瞭解所有這些其他功能在處於壓力之下的奔跑的斑馬身上會發生什麼。
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