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수중 동물의 세포가 터지지 않는 이유는 무엇입니까?

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우리는 식물 세포를 물에 담가두면 세포벽 때문에 터지지 않는다는 것을 알고 있습니다. 그러나 수생 동물의 세포에는 세포벽이 없지만 여전히 생존합니다. 왜요?


척추동물의 체액 조절 비교 생리학

세포는 항상 삼투압 평형으로 돌아가는 수동 구성요소가 아닙니다. 호르몬, 세포 신호, 이온과 물 교환을 위한 기공의 수를 통해 해양 동물은 다양한 수중 환경에서 삼투압 조절을 유지할 수 있습니다. 육상 포유류에서 삼투압 조절은 내분비계에 의해 제어되기 때문에 더 수동적입니다.


포유류는 응급 상황에서 항문으로 숨을 쉴 수 있습니다.

방콕에서 열린 제10회 태국 국제 애완동물 품종 전시회에서 두 마리의 피그미 돼지가 뛰어다니고 있습니다.

설치류와 돼지는 특정 수생 생물과 호흡을 위해 장을 사용할 수 있는 능력을 공유합니다. 저널에 5월 14일 게재된 연구 결과 메드. 연구원들은 직장을 통한 산소 가스 또는 산소가 함유된 액체의 전달이 두 개의 포유류 호흡 부전 모델에 중요한 구조를 제공했음을 보여주었습니다.

수석 연구 저자인 도쿄 의과 치과 대학과 신시내티 어린이 병원 의료 센터의 Takanori Takebe는 "인공 호흡 지원은 폐렴이나 급성 호흡 곤란 증후군과 같은 중증 질환으로 인한 호흡 부전의 임상 관리에서 중요한 역할을 합니다."라고 말했습니다. "사람에 대한 부작용과 안전성을 철저히 평가해야 하지만 우리의 접근 방식은 호흡 부전이 있는 중환자를 지원하는 새로운 패러다임을 제공할 수 있습니다."

여러 수생 생물은 폐나 아가미 이외의 기관을 사용하여 저산소 조건에서 생존하기 위해 독특한 장 호흡 메커니즘을 진화했습니다. 예를 들어, 해삼, 미꾸라지라고 불리는 민물고기, 특정 민물 메기는 호흡을 위해 내장을 사용합니다. 그러나 포유류가 비슷한 능력을 가지고 있는지에 대해서는 많은 논쟁이 있었습니다.

새로운 연구에서 Takebe와 그의 동료들은 쥐, 생쥐 및 돼지의 장 호흡에 대한 증거를 제공합니다. 첫째, 그들은 생쥐의 직장을 통해 순수한 산소를 공급하기 위해 장내 가스 환기 시스템을 설계했습니다. 그들은 시스템이 없으면 극도로 낮은 산소 조건에서 11분 동안 생존한 쥐가 없음을 보여주었습니다. 장내 가스 환기로 더 많은 산소가 심장에 도달했고 쥐의 75%는 일반적으로 치명적인 저산소 조건에서 50분 동안 생존했습니다.

장내 가스 환기 시스템은 장 점막의 마모를 필요로 하기 때문에 특히 중증 환자의 경우 임상적으로 실현 가능하지 않을 것입니다. 따라서 연구자들은 또한 산소화된 과불소화학물질을 사용하는 액체 기반 대안을 개발했습니다. 이 화학물질은 이미 임상적으로 인체에 적합하고 안전한 것으로 나타났습니다.

장 액체 환기 시스템은 치명적이지 않은 저산소 조건에 노출된 설치류와 돼지에게 치료 효과를 제공했습니다. 장 환기를 받은 쥐는 장 환기를 받지 않은 쥐에 비해 10% 산소 챔버에서 더 멀리 걸을 수 있었고 더 많은 산소가 심장에 도달했습니다. 돼지에서도 비슷한 결과가 나타났습니다. 장 액체 환기는 명백한 부작용 없이 피부 창백함과 냉기를 역전시키고 산소 수준을 증가시켰습니다. 종합하면, 결과는 이 전략이 두 포유류 모델 시스템에서 순환계에 도달하고 호흡 부전 증상을 완화하는 산소를 제공하는 데 효과적임을 보여줍니다.

연구원들은 코로나바이러스 질병 2019(COVID-19) 대유행을 퇴치하기 위해 일본 의료 연구 개발청(Japan Agency for Medical Research and Development)의 지원을 받아 임상 번역 경로를 가속화하기 위해 전임상 연구를 확대하고 규제 조치를 추진할 계획입니다.

Takebe는 "최근 SARS-CoV-2 대유행은 인공호흡기와 인공 폐에 대한 임상적 수요를 압도하여 사용 가능한 장치의 심각한 부족을 초래하고 전 세계적으로 환자의 생명을 위험에 빠뜨립니다."라고 말합니다. "우리의 인공호흡 시스템이 제공하는 동맥 산소 공급 수준은 사람이 적용할 수 있도록 확장된 경우 심각한 호흡 부전 환자를 치료하기에 충분할 수 있으며 잠재적으로 생명을 구하는 산소 공급을 제공할 수 있습니다."


내용물

수면은 생리적 또는 행동적 정의를 따를 수 있습니다. 생리학적 의미에서 수면은 가역적인 무의식, 특별한 뇌파 패턴, 산발적인 안구 운동, 근긴장도의 상실(새와 수생 포유류의 수면에 관한 일부 예외는 아래 참조), 결핍에 따른 보상적 증가를 특징으로 하는 상태입니다. 이것은 수면 항상성으로 알려진 마지막 상태입니다(즉, 깨어 있는 상태가 오래 지속될수록 이후 수면 상태의 강도와 지속 시간이 커집니다). [1] 행동적 의미에서 수면은 최소한의 움직임, 외부 자극에 대한 무반응(즉, 증가된 감각 역치), 전형적인 자세의 채택, 보호된 장소의 점유로 특징지어지며, 이 모든 것이 일반적으로 다음과 같이 반복됩니다. 24시간 기준. [2] 생리학적 정의는 새와 포유류에 잘 적용되지만 다른 동물(뇌가 그렇게 복잡하지 않은 동물)에서는 행동적 정의가 더 자주 사용됩니다. 매우 단순한 동물에서는 수면에 대한 행동적 정의가 가능한 유일한 것이며, 그 경우에도 동물의 행동 레퍼토리는 수면과 각성을 구분할 수 있을 만큼 충분히 광범위하지 않을 수 있습니다. [3] 최대 절전 모드나 혼수 상태와 달리 수면은 빠르게 되돌릴 수 있으며 수면 부족 후에는 더 길거나 깊은 반동 수면이 뒤따릅니다.

수면이 필수가 아닌 경우 다음을 찾을 수 있습니다.

  • 잠을 전혀 자지 않는 동물 종
  • 평소보다 오래 깨어 있으면 회복이 필요하지 않은 동물
  • 수면 부족의 결과로 심각한 결과를 겪지 않는 동물

뇌가 없거나 매우 단순한 동물을 제외하고는 이러한 기준을 충족하는 동물이 현재까지 발견되지 않았습니다. [4] 백상아리나 귀상어와 같은 상어의 일부 변종은 산소가 함유된 물을 아가미 위로 옮기기 위해 항상 움직여야 하지만, 해양 포유류처럼 여전히 한 번에 한 대뇌 반구를 자고 있을 가능성이 있습니다. 그러나 어떤 물고기가 반구형 수면을 할 수 있는지 여부는 확실히 밝혀져야 합니다. [ 인용 필요 ]

현상으로서의 수면은 매우 오래된 진화적 뿌리를 가지고 있는 것으로 보입니다. 단세포 유기체는 대부분이 일주기 리듬을 가지고 있지만 반드시 "수면"하지는 않습니다. 해파리 카시오페아 수면과 같은 상태가 관찰된 가장 원시적인 유기체 중 하나입니다. [6] 해파리의 수면 상태를 관찰하는 것은 수면 상태가 동물에게 뇌나 중추 신경계가 필요하지 않다는 증거를 제공합니다. [7] 선충 C. 엘레간스 수면이 필요한 또 다른 원시 유기체입니다. 여기에 무기력 단계는 각 탈피 이전의 짧은 기간에 발생하며, 이는 수면이 원시적으로 발달 과정과 연결되어 있음을 나타낼 수 있습니다. 라이젠 등's 결과[8]는 또한 신경계의 변화에 ​​수면이 필요함을 시사합니다.

작은 무척추 동물의 수면에 대한 전기 생리학적 연구는 복잡합니다. 곤충은 활동과 수동성의 24시간 주기 리듬을 거치지만 일부는 항상성 수면이 필요하지 않은 것으로 보입니다. 곤충은 REM 수면을 나타내지 않는 것 같습니다. 그러나 초파리는 잠자는 것처럼 보이며 그 상태의 체계적인 교란은인지 장애로 이어집니다. 초파리의 인지 기능을 측정하는 방법에는 여러 가지가 있습니다. 일반적인 방법은 파리가 광원으로 이어지는 터널을 통과할지 아니면 어두운 터널을 통과할지 여부를 선택하도록 하는 것입니다. 일반적으로 파리는 빛에 끌립니다. 그러나 어두운 터널 끝에 설탕을 놓고 빛의 터널 끝에 파리가 싫어하는 것을 놓으면 파리는 결국 빛이 아닌 어둠을 향해 날아가는 법을 배우게 됩니다. 수면이 부족한 파리는 이것을 배우는 데 더 오랜 시간이 필요하고 더 빨리 잊어버립니다. 절지동물이 실험적으로 예전보다 더 오래 깨어 있으면 앞으로의 휴식 기간이 길어질 것입니다. 바퀴벌레에서 휴식 기간은 더듬이가 아래로 접혀 있고 외부 자극에 대한 민감도가 감소하는 것이 특징입니다. [10] 가재에서도 수면은 수동성, 감각 자극에 대한 증가된 역치, EEG 패턴의 변화를 특징으로 하며, 깨어 있을 때 가재에서 발견되는 패턴과 현저하게 다릅니다. [11] 꿀벌은 장기 기억을 저장하기 위해 수면을 사용하는 것으로 나타났습니다. [12]

물고기의 수면은 현재 과학 연구의 주제입니다. [13] [14] 일반적으로 물고기는 활동이 없는 기간을 나타내지만 이러한 상태가 결핍된 경우에는 별다른 반응을 보이지 않습니다. 항상 여울에 살거나 계속해서 헤엄치는 일부 종(예를 들어, 아가미의 숫양 환기가 필요하기 때문에)은 결코 잠을 자지 않는 것으로 의심됩니다. [15] 동굴에 사는 특정 맹인 종에 대한 의심도 있습니다. [16] 그러나 다른 물고기들은 잠을 자는 것 같다. 예를 들어, zebrafish, [17] tilapia, [18] tench, [19] brown bullhead, [20] 및 swell shark [21]는 밤에(또는 swell shark의 경우 낮에는) 움직이지 않고 반응하지 않습니다. hogfish와 blue-headed wrasse는 반응을 유발하지 않고 손으로 표면까지 들어올릴 수 있습니다. [22] 1961년 유럽의 공공 수족관에서 약 200종에 대한 관찰 연구에 따르면 많은 경우 잠을 자고 있다고 보고했습니다. [23] 반면에 수면 패턴은 쉽게 방해를 받고 이주, 산란 및 부모 보살핌 기간 동안 사라질 수도 있습니다. [24]

포유류, 조류 및 파충류는 물과 무관한 생활 주기를 가진 최초의 척추동물인 양수 조상으로부터 진화했습니다. 새와 포유류가 REM 및 NREM 수면을 나타내는 유일한 알려진 동물이라는 사실은 분기 이전의 공통 특성을 나타냅니다. [25] 그러나 물고기에서 REM과 같은 수면에 대한 최근 증거는 이러한 분기가 이전에 생각했던 것보다 훨씬 더 일찍 발생했을 수 있음을 시사합니다. 이 시점까지 파충류는 수면의 기원을 조사하는 데 가장 논리적인 그룹으로 간주되었습니다. 파충류의 주간 활동은 일광욕을 하는 것과 짧은 시간 동안 활동적인 행동을 번갈아 가며 하며, 이는 포유동물의 수면 상태와 신경학적, 생리학적으로 상당한 유사성을 가지고 있습니다. REM 수면은 파충류의 짧은 운동 활동에서 진화한 반면 SWS(Slow-Wave Sleep)는 유사한 느린 파동 EEG 패턴을 나타내는 basking 상태에서 진화했다고 제안됩니다. [27]

파충류는 포유동물의 수면과 유사한 휴면 기간을 가지며 동물이 잠들었을 때 뇌의 전기적 활동이 감소하는 것으로 기록되었습니다. 그러나 파충류 수면의 EEG 패턴은 포유류 및 다른 동물에서 볼 수 있는 것과 다릅니다. [3] 파충류의 경우 수면 부족에 따라 수면 시간이 늘어나고, 수면이 부족할 때는 정상적으로 잤을 때보다 동물을 깨우기 위해 더 강한 자극이 필요합니다. 이것은 결핍에 따른 수면이 보상적으로 더 깊다는 것을 암시합니다. [28]

2016년에 한 연구[29]는 호주 드래곤에서 REM 및 NREM과 유사한 수면 단계의 존재를 보고했습니다. 포고나 비티셉스. 양서류는 활동하지 않는 기간이 있지만 이 상태에서 높은 경계(잠재적으로 위협적인 자극에 대한 수용성)를 보입니다.

조류의 수면과 포유류의 수면 사이에는 상당한 유사점이 있는데[30] 고등 동물의 수면이 REM 및 NREM 수면으로 구분되어 온혈과 함께 진화했다는 생각에 대한 이유 중 하나입니다. [31] 새는 포유류와 유사한 방식으로 더 깊은 또는 더 강렬한 느린 파동 수면(SWS)으로 수면 손실을 보상합니다. [32]

새는 REM 수면과 NREM 수면을 모두 가지고 있으며 둘 다의 EEG 패턴은 포유류의 것과 유사합니다. 새마다 수면 시간이 다르지만 포유동물에서 관찰되는 수면과 체질량, 뇌량, 상대적 뇌량, 기초 대사 및 기타 요인(아래 참조)과 같은 변수 사이의 연관성은 새에서 발견되지 않습니다. 다른 종의 새들의 수면량 변화에 대한 유일한 명확한 설명 요인은 포식자에게 노출된 환경에서 잠을 자는 새가 더 보호된 환경에서 잠을 자는 새보다 덜 깊은 잠을 잔다는 것입니다. [33]

새가 반드시 수면 부족을 보이는 것은 아니지만 새가 수생 포유류와 공유하는 특성, 그리고 아마도 특정 종의 도마뱀과도 공유하는 특징이 있습니다(마지막 점에 대해서는 의견이 다릅니다. 설명 필요 ] ), 단반구 수면 능력입니다. 그것은 한 번에 한 대뇌 반구가 깨어 있는 동안 다른 반구가 깨어 있는 능력입니다(단반구 서파 수면). [34] 한쪽 반구만 자고 있을 때는 반대쪽 눈만 감고, 우반구가 자고 있을 때는 왼쪽 눈을 감고, 그 반대도 마찬가지이다. [35] 두 반구 사이의 수면 분포와 단구 수면의 양은 이전 각성 기간 동안 뇌의 어느 부분이 가장 활동적이었는지에 따라 결정됩니다. 또한 포식자의 공격 위험에 의해 결정됩니다. 무리 주변에 있는 오리는 포식자의 공격을 가장 먼저 감지하는 오리일 것입니다. 이 오리는 무리 한가운데서 자는 오리보다 훨씬 더 단구형 수면을 취하며 눈을 뜨면 보이는 위협적인 자극에 반응합니다. [37]

철새의 수면에 대한 의견은 부분적으로 다릅니다. [ 인용 필요 ] 비행 중 잠을 잘 수 있느냐 없느냐가 논란이 되고 있다. [ 인용 필요 ] 이론적으로 비행하는 동안 특정 유형의 수면이 가능할 수 있지만 기술적인 어려움으로 인해 새가 비행하는 동안 뇌 활동을 기록할 수 없습니다.

포유류는 수면 현상이 매우 다양합니다. 일반적으로 비렘수면과 렘수면을 번갈아 가며 겪지만 이들은 다르게 나타납니다. 말과 기타 초식 유제류는 서 있는 동안 잠을 잘 수 있지만 짧은 기간 동안 REM 수면(근육 이완을 유발함)을 위해 반드시 누워야 합니다. 예를 들어, 기린은 REM 수면을 위해 한 번에 몇 분 동안만 누워 있으면 됩니다. 박쥐는 거꾸로 매달린 채 잠을 잔다. 수컷 아르마딜로는 비 REM 수면 중에 발기를 하고 쥐의 경우에는 그 반대입니다. [38] 초기 포유류는 수면을 하루에 여러 번 나누어 다상 수면에 참여했습니다. 단상 종에 비해 다상 종에서 더 높은 일일 수면 할당량과 더 짧은 수면 주기는 다상 수면이 수면의 이점을 얻는 데 덜 효율적인 수단일 수 있음을 시사합니다. 따라서 기초 대사율(BMR)이 높은 작은 종은 수면 패턴이 덜 효율적일 수 있습니다. 단상 수면의 진화는 지금까지 더 큰 포유동물의 신체 크기를 진화시켜 BMR을 낮추는 알려지지 않은 이점일 수 있습니다. [39]

수면은 때때로 에너지를 보존하는 데 도움이 된다고 생각되지만 이 이론은 신진대사를 약 5-10%만 감소시키기 때문에 완전히 적절하지 않습니다. [40] [41] 또한 포유동물은 동면의 대사저하 상태에서도 수면이 필요하며, 이 상태에서는 동물이 잠을 자기 위해 저체온증에서 안정증으로 돌아올 때 에너지의 순 손실입니다. [42]

야행성 동물은 밤에 체온이 더 높고 활동량이 많으며 세로토닌이 증가하고 코티솔이 감소합니다. 이는 주간 동물과 반대입니다. 야행성 및 주간 동물 둘 다 밤에 시교차상핵의 전기적 활동이 증가하고 송과체에서 멜라토닌의 분비가 증가합니다. [43] 밤에 깨어 있는 경향이 있는 야행성 포유류는 주간 포유류와 마찬가지로 밤에 더 높은 멜라토닌을 가지고 있습니다. [44] 그리고 많은 동물에서 송과선을 제거하면 멜라토닌 리듬이 제거되지만 일주기 리듬이 완전히 멈추지는 않습니다. [45] 주간 동물의 코르티솔 수치는 일반적으로 밤에 증가하고 깨어 있는 시간에 최고조에 이르고 낮에는 감소합니다. [46] [47] 주간 동물의 경우 밤에 졸음이 증가한다.

기간 편집

포유류마다 수면 시간이 다릅니다. 박쥐와 같은 일부는 하루에 18-20시간을 자는 반면, 기린을 포함한 일부는 하루에 3-4시간만 잠을 잔다. 밀접하게 관련된 종 사이에도 큰 차이가 있을 수 있습니다. 실험실 연구와 현장 연구 사이에도 차이가 있을 수 있습니다. 예를 들어, 1983년의 연구원들은 포획된 나무 늘보가 하루에 거의 16시간을 잤다고 보고했지만, 2008년에 야생 동물에 부착할 수 있는 소형 신경 생리학적 기록 장치가 개발되었을 때 자연의 나무 늘보는 하루에 9.6시간만 자는 것으로 나타났습니다. [48]

조류와 마찬가지로 포유류의 주요 규칙(특정 예외는 아래 참조)은 근본적으로 두 단계의 다른 수면 단계, 즉 REM 수면과 NREM 수면(위 참조)이 있습니다. 포유류의 섭식 습관은 수면 시간과 관련이 있습니다. 하루 수면 요구량은 육식 동물이 가장 높고 잡식 동물이 낮고 초식 동물이 가장 낮습니다. 인간은 다른 많은 잡식 동물보다 덜 잠을 자지만 다른 포유류와 비교할 때 비정상적으로 많거나 비정상적으로 적습니다. [49]

Ruminantia(소와 같은)와 같은 많은 초식 동물은 깨어 있는 시간의 대부분을 졸린 상태에서 보냅니다. 추가 설명 필요 ] 상대적으로 낮은 수면 요구를 부분적으로 설명할 수 있습니다. 초식 동물의 경우 체질량과 수면 시간 사이에 역 상관관계가 있음이 분명합니다. 이 상관관계는 서로 다른 포유동물 사이의 수면량 차이의 약 25%를 설명하는 것으로 생각됩니다. 또한 특정 수면 주기의 길이는 평균적으로 동물의 크기와 관련이 있으며, 큰 동물은 작은 동물보다 더 긴 수면 주기를 갖습니다. 수면량은 기초 대사, 뇌량, 상대적 뇌량과 같은 요인과도 관련이 있습니다. [ 인용 필요 ] 종의 수면 시간도 BMR과 직접적인 관련이 있습니다. BMR이 높은 쥐는 하루 최대 14시간 동안 잠을 자는 반면, BMR이 낮은 코끼리와 기린은 하루 2~4시간만 잔다. [50]

긴 수면 시간에 투자하는 포유류 종은 면역 체계에 투자하는 것으로, 수면 시간이 긴 종은 백혈구 수가 더 많기 때문입니다. 말과 기린과 같이 잘 발달된 조절 시스템을 가지고 태어난 포유류는 고양이와 쥐와 같이 출생 시 덜 발달된 종보다 REM 수면이 적은 경향이 있습니다. 이것은 대부분의 포유류 종에서 성인보다 신생아에서 REM 수면이 더 많이 필요하다는 것을 반영하는 것으로 보입니다. 많은 포유동물은 아주 어릴 때 24시간 동안 대부분의 시간 동안 잠을 잔다. [53] 기린은 약 5-15분 세션에서 하루에 2시간만 잔다. 코알라는 하루에 약 20~22시간 동안 잠자는 포유류 중 가장 길다. 그러나 범고래와 일부 다른 돌고래는 생후 첫 달 동안 잠을 자지 않습니다. [54] 대신 어린 돌고래와 고래는 종종 어미가 헤엄치는 동안 어미의 몸 옆에 몸을 밀착시켜 휴식을 취한다. 어미가 수영할 때 새끼가 익사하는 것을 방지하기 위해 물에 띄우고 있습니다. 이렇게 하면 어린 돌고래와 고래가 휴식을 취할 수 있어 면역 체계를 건강하게 유지하여 질병으로부터 보호할 수 있습니다. [55] 이 기간 동안 어머니는 종종 포식자로부터 새끼를 보호하기 위해 잠을 희생합니다. 그러나 다른 포유류와 달리 성인 돌고래와 고래는 한 달 동안 잠을 자지 않고 지낼 수 있습니다. [55] [56]

24시간 동안 다양한 포유류(포로 상태)의 평균 수면 시간 비교 [ 인용 필요 ]

    – 2시간 [57] – 3시간 이상 [50] – 4.0시간 – 4.5시간 – 8.0시간 – 8.4시간 – 9.7시간 – 9.8시간 – 10.1시간 – 15.8시간 – 12.5시간 – 12.5시간 – 13.5시간 – 14시간 – 15시간 – 18.1시간 – 하루 18시간 – 19.9시간

다양한 변형에 대해 주어진 이유에는 "박쥐나 설치류와 같이 숨어서 낮잠을 자는 포유동물은 항상 경계하는 포유동물보다 더 길고 깊은 잠을 자는 경향이 있다"는 사실이 포함됩니다. 포식자를 거의 두려워하지 않는 사자도 비교적 긴 수면 시간을 갖는 반면 코끼리는 거대한 몸을 지탱하기 위해 대부분의 시간을 먹어야 합니다. 작은 갈색박쥐는 곤충 먹이를 구할 수 있는 매일 밤 몇 시간을 제외하고는 에너지를 보존하고 있으며 오리너구리는 고에너지 갑각류 먹이를 먹기 때문에 다른 많은 포유동물만큼 깨어 있는 시간이 필요하지 않을 것입니다. [58]

설치류

Datta가 수행한 연구는 기억력이 수면의 이점을 제공한다는 아이디어를 간접적으로 뒷받침합니다. 쥐 한 마리가 한 쪽 끝에서 다른 쪽 끝으로 자유롭게 이동할 수 있는 상자를 만들었습니다. 상자의 바닥은 강철 격자로 만들어졌습니다. 소리와 함께 상자 안의 빛이 빛날 것입니다. 5초 지연 후 전기 충격이 가해집니다. 충격이 시작되면 쥐는 상자의 다른 쪽 끝으로 이동하여 충격을 즉시 종료할 수 있습니다. 쥐는 또한 5초 지연을 사용하여 상자의 다른 쪽 끝으로 이동하고 충격을 완전히 피할 수 있습니다. 충격의 길이는 5초를 초과하지 않았습니다. 이것은 절반의 쥐에 대해 30회 반복되었습니다. 나머지 절반인 대조군도 같은 실험에 가담했지만 쥐들은 반응과 상관없이 충격을 받았다. 각 훈련 세션 후, 쥐를 6시간 동안 폴리그래픽 기록을 위한 기록 케이지에 넣었습니다. 이 과정을 연속 3일 동안 반복했습니다. 시험 후 수면 기록 세션 동안 쥐는 대조군 시험보다 학습 시험 후 REM 수면에서 25.47% 더 많은 시간을 보냈습니다. [59]

Datta 연구의 관찰에 따르면 학습 그룹은 시험 후 수면 기록 세션 동안 대조군보다 SWS에서 180% 더 많은 시간을 보냈습니다. 이 연구는 공간 탐색 활동 후 실험 후 SWS 동안 해마 장소 세포의 패턴이 재활성화됨을 보여줍니다. 쥐는 양쪽 끝에 보상을 사용하여 선형 트랙을 통해 달렸습니다. 그런 다음 쥐를 트랙에 30분 동안 두어 조정하도록 하고(PRE), 30분 동안 보상 기반 훈련으로 트랙을 달린 다음(RUN) 30분 동안 휴식을 취하도록 했습니다.

이 세 기간 동안 각각 쥐의 수면 단계에 대한 정보를 얻기 위해 EEG 데이터를 수집했습니다. 행동 전 SWS(PRE) 및 행동 후 SWS(POST)에서 3개의 10분 간격 동안 해마 장소 세포의 평균 발사 속도는 7마리의 쥐로부터 22번의 트랙 달리기 세션에 걸쳐 평균화하여 계산되었습니다. 결과는 시험 RUN 세션 후 10분에 PRE 수준에서 해마 장소 세포의 평균 발화율이 12% 증가했음을 보여주었습니다. 20분 후, 평균 발사 속도는 PRE 수준으로 빠르게 복귀했습니다. 공간 탐색 후 SWS 동안 해마의 장소 세포의 증가된 발사는 공간 탐색의 한 형태를 다루기 때문에 Datta의 연구에서 서파 수면 수준이 증가한 이유를 설명할 수 있습니다.

쥐에서 수면 부족은 체중 감소와 체온 감소를 유발합니다. 계속 깨어 있는 쥐는 피부 병변, 과식증, 체중 감소, 저체온증, 결국 치명적인 패혈증을 일으키게 됩니다. 수면 부족은 또한 쥐의 화상 치료를 방해합니다. 대조군과 비교했을 때 수면 부족 쥐의 혈액 검사에서 백혈구 수가 20% 감소한 것으로 나타났으며 이는 면역 체계에 상당한 변화를 가져왔습니다. [63]

2014년 연구에 따르면 쥐의 수면 부족은 암 성장을 증가시키고 암을 통제하는 면역 체계의 능력을 약화시키는 것으로 나타났습니다. 연구자들은 수면이 부족한 쥐에서 더 높은 수준의 M2 종양 관련 대식세포와 TLR4 분자를 발견하고 이를 암 성장에 대한 쥐의 감수성 증가 메커니즘으로 제안했습니다. M2 세포는 면역 체계를 억제하고 종양 성장을 촉진합니다. TRL4 분자는 면역 체계의 활성화에서 신호 분자입니다. [64]

단극 편집

단공류(알을 낳는 포유류)는 진화적으로 가장 오래된 포유류 그룹 중 하나로 간주되기 때문에 포유류 수면 연구에 특별한 관심을 가져왔습니다. 이 동물에 대한 초기 연구에서 REM 수면에 대한 명확한 증거를 찾을 수 없었기 때문에 처음에는 그러한 수면이 단공류에는 존재하지 않는다고 가정했지만, 단류류가 나머지 포유류 진화 계통에서 분기된 후에 발달했으며, 별개의 별개의 동물이 되었습니다. 그룹. 그러나 단극류에서 뇌간의 EEG 기록은 고등 포유류의 REM 수면에서 볼 수 있는 패턴과 매우 유사한 발화 패턴을 보여줍니다. [65] [66] 사실, 모든 동물에서 알려진 가장 많은 양의 REM 수면은 오리너구리에서 발견됩니다. [67] REM 전기 활성화는 platypods에서 전뇌까지 전혀 확장되지 않으며, 이는 그들이 꿈을 꾸지 않는다는 것을 암시합니다. 오리너구리의 24시간 평균 수면 시간은 14시간이라고 알려져 있지만, 이는 고칼로리 갑각류 식단 때문일 수 있습니다. [58]

수생 포유류

해양 포유류 종에게 깊은 잠에 빠지면 질식하거나 익사하거나 포식자의 쉬운 먹이가 될 수 있습니다. 따라서 돌고래, 고래, 기각류(물개)는 수영하는 동안 반구형 수면에 참여하여 한쪽 뇌 반구가 완전히 기능을 유지하고 다른 쪽 반구가 잠을 자게 합니다. 잠자고 있는 반구는 번갈아 가며 양쪽 반구가 완전히 쉴 수 있습니다. [55] [68] 육상 포유류와 마찬가지로 육지에서 잠을 자는 기각류는 깊은 잠에 빠지고 뇌의 두 반구는 폐쇄되어 완전한 수면 모드에 있습니다. [69] [70] 수생포유류의 영아는 유아기에 REM 수면을 취하지 않습니다. [71] REM 수면은 나이가 들어감에 따라 증가합니다.

그 중에서도 물개와 고래는 수생 포유류에 속합니다. Earless seals과 eared seals는 두 가지 다른 방법을 통해 물 속에서 잠자는 문제를 해결했습니다. 고래와 같은 귀뚜라미는 반구형 수면을 보입니다. 잠자는 뇌의 절반은 숨을 쉬기 위해 수면 위로 떠오를 때 깨어나지 않습니다. 물개 뇌의 절반이 느린 파동 수면을 보일 때 반대쪽에 있는 지느러미와 수염은 움직이지 않습니다. 물에 있는 동안 이 물개는 거의 REM 수면을 취하지 않으며 REM 없이 1~2주를 보낼 수 있습니다. 육지로 이동하자마자 육지 포유류와 비슷한 양측 REM 수면과 NREM 수면으로 전환하는데, REM을 너무 많이 놓친 후 "회복 수면"이 부족하여 연구자들을 놀라게 합니다.

귀없는 바다표범은 대부분의 포유 동물처럼 물속에서, 수면이나 육지에 매달려 두 반구형으로 잠을 잔다. 그들은 물속에서 잠을 자는 동안 숨을 참고 정기적으로 일어나 수면 위로 올라와 숨을 쉰다. 그들은 또한 물 위에 콧구멍을 매달고 그 위치에서 REM 수면을 취하지만 수중에서는 REM 수면을 취하지 않습니다.

REM 수면은 돌고래 종인 파일럿 고래에서 관찰되었습니다. 고래는 REM 수면을 취하지 않는 것으로 보이며 이로 인해 문제가 없는 것으로 보입니다. REM 수면이 해양 환경에서 어려울 수 있는 한 가지 이유는 REM 수면이 근긴장을 유발하기 때문입니다. [49] [73]

의식적으로 호흡하는 고래류는 잠을 잘 수 있지만 익사할 수 있기 때문에 오랫동안 의식을 잃을 수는 없습니다. 야생 고래류의 수면에 대한 지식은 제한적이지만, 포획된 이빨 고래류는 단반구 서파 수면(USWS)을 나타내는 것으로 기록되었습니다. 그리고 휴식 기간 동안 포식자와 사회적 접촉을 모두 피하십시오. [74]

2008년 연구에 따르면 향유고래는 일반적으로 낮 동안 수동적인 얕은 '드리프트 다이빙'에서 수면 바로 아래에서 수직 자세로 잠을 잤습니다. 이때 고래는 접촉하지 않는 한 통과하는 선박에 반응하지 않습니다. 그러한 잠수 중에는 잠을 잘 수 있습니다. [75]

단반구 수면은 대뇌 반구 하나만으로 잠을 자는 것을 말합니다. 이 현상은 조류와 수중 포유류뿐만 아니라 [76] 여러 파충류 종에서도 관찰되었습니다(후자는 논쟁의 여지가 있습니다. 많은 파충류는 반구형 수면으로 해석될 수 있는 방식으로 행동하지만 EEG 연구는 모순된 결과를 제공합니다). 단구 수면이 발달하는 이유는 잠자는 동물이 환경으로부터 자극(예: 위협)을 받을 수 있게 하고 동물이 물에 잠겼을 때 날거나 주기적으로 수면 위로 숨을 쉴 수 있게 하기 때문일 수 있습니다. NREM 수면만이 단구형으로 존재하며, 반구의 차이와 관련하여 단반구 수면의 연속체가 존재하는 것으로 보입니다. 단반구 수면을 나타내는 동물에서 조건은 한 반구가 깨어 있는 상태에서 다른 반구가 깨어 있는 상태에서 다른 반구가 가벼운 잠을 자는 상태에 이르기까지 다양합니다. 다른 반구는 깨어 있습니다. 단반구 수면을 나타내는 동물에서 한쪽 반구가 선택적으로 수면을 취하지 않는다면(한 쪽 반구는 자유롭게 잠을 자게 되지만 다른 쪽 반구는 잠들 때마다 깨어남) 양쪽 반구가 자유롭게 잠을 잘 수 있습니다.

반구형 수면에 대한 신경생물학적 배경은 아직 명확하지 않습니다. 뇌간의 왼쪽과 오른쪽 절반 사이의 연결이 끊어진 고양이에 대한 실험에서 뇌 반구는 비동기화된 EEG 기간을 보여주며 이 기간 동안 두 반구는 서로 독립적으로 잠을 잘 수 있습니다. 이 고양이들에서 한쪽 반구는 NREM을 자고 다른 쪽 반구는 깨어 있는 상태가 관찰되었으며, 한쪽 반구는 NREM을 자고 다른 쪽 반구는 NREM을 자고 있는 모습이 관찰되었습니다. 고양이는 한쪽 반구가 깨어 있는 동안 REM 수면을 취하는 것을 본 적이 없습니다. 이것은 현재 알려진 REM 수면이 반구형으로 발생하지 않는다는 사실에 따른 것입니다.

반구형 수면이 존재한다는 사실은 수면의 필요성에 대한 논거로 사용되어 왔습니다. [78] 잠을 자지 않고 지낼 수 있는 능력을 개발한 동물은 없는 것 같습니다.

겨울잠을 자는 동물은 수면과 달리 혼수 상태에 있습니다. 최대 절전 모드는 수면의 필요성을 현저히 줄이지만 제거하지는 않습니다. 일부 동면 동물은 겨울 동안 잠을 잘 수 있도록 동면을 두 번 종료합니다. 동면에서 깨어난 동면 동물은 동면 기간 동안 수면 부족으로 인해 종종 반동 수면에 들어간다. 그들은 확실히 잘 쉬고 최대 절전 모드 동안 에너지를 절약하고 있지만 다른 것을 위해 잠이 필요합니다. [42]


출발점

연결 및 관계

  • 당신의 지역사회는 얼음으로 덮인 보도와 도로를 덜 미끄럽게 만들기 위해 모래나 소금 중에서 무엇을 사용합니까? 왜 이것이 사실이라고 생각합니까?
  • 얼음낚시 가봤니? 물고기가 얼음 아래에서 얼지 않는 이유는 무엇입니까?

연결 및 관계

  • 당신의 지역사회는 얼음으로 덮인 보도와 도로를 덜 미끄럽게 만들기 위해 모래나 소금 중에서 무엇을 사용합니까? 왜 이것이 사실이라고 생각합니까?
  • 얼음낚시 가봤니? 물고기가 얼음 아래에서 얼지 않는 이유는 무엇입니까?

과학과 기술을 사회 및 환경에 연결하기

  • 부동액 단백질에 대한 지식이 다른 과학 분야에 어떤 영향을 미쳤습니까?
  • Could antifreeze proteins be a more ecologically-friendly alternative to road salt? What barriers might exist to using this technology for road safety?

Relating Science and Technology to Society and the Environment

  • How has knowledge about antifreeze proteins impacted other areas of science?
  • Could antifreeze proteins be a more ecologically-friendly alternative to road salt? What barriers might exist to using this technology for road safety?

Exploring Concepts

  • What is convergent evolution? Can you think of another example of convergent evolution that is not presented in this article?
  • How are proteins formed in a living thing?
  • Why does salt water freeze at a lower temperature than freshwater?
  • What other adaptations do fish have that live in very cold waters?
  • As arctic waters warm up, how might this antifreeze adaptation in arctic fish impact on fish survival?

Exploring Concepts

  • What is convergent evolution? Can you think of another example of convergent evolution that is not presented in this article?
  • How are proteins formed in a living thing?
  • Why does salt water freeze at a lower temperature than freshwater?
  • What other adaptations do fish have that live in very cold waters?
  • As arctic waters warm up, how might this antifreeze adaptation in arctic fish impact on fish survival?

Nature of Science/Nature of Technology

  • In light of what you have learned by reading this article, why is protecting and preserving the existing biodiversity on Earth of value?

Nature of Science/Nature of Technology

  • In light of what you have learned by reading this article, why is protecting and preserving the existing biodiversity on Earth of value?

Teaching Suggestions

  • This article supports learning in biology related to adaptations and evolution of organisms. It introduces the concepts of convergent evolution and ectothermic organisms. .
  • After reading the article student could also read the Learn More articles to find out more about antifreeze protein adaptations and the animals that have this adaptation..
  • Students could complete a Concept Definition Web for the concept of antifreeze proteins or convergent evolution. Download ready-to-use Concept Definition Web reproducibles in [Google doc] or [PDF] formats.

Teaching Suggestions

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Photosynthesis in Aquatic Plants and Land Plants

저희를 위해 글을 쓰시겠습니까? 글쎄, 우리는 소문을 퍼뜨리고 싶은 좋은 작가를 찾고 있습니다. 연락주시면 상담해드리겠습니다.

So, is there any difference between photosynthesis in land plants and aquatic plants? Well, the process of producing food with the help of light energy remains the same for both aquatic and land plants. In addition to light, they require the basic raw materials – carbon dioxide (CO2) 및 물(H2O) for synthesis of glucose (C6시간12영형6). What is special about food production by plants under water is, deriving these raw materials and light energy from their immediate environment.

The balanced equation of photosynthesis is represented as: 6CO2 + 12H2O + Light → C6시간12영형6 + 6O2 + 6시간2영형. In case of land plants, the required gases and light energy are available easily. They absorb carbon dioxide from atmospheric air through their stomatal openings (present in upper and lower side of leaves), water from the soil through their root system, and last but not the least, radiant energy from sunlight. Hence, land plants undergo photosynthesis naturally without any special adaptations.


세포 자체 솔루션 찾기

오늘 발표된 논문에 기술된 실험은 놀라울 정도로 간단했습니다. 레빈 연구실의 Emma Lederer와 함께 같은 연구원 팀은 이미 상피 세포로 분화된 발달 중인 개구리 배아에서 세포를 제거하고 나머지 배아 없이 스스로 클러스터로 발달하도록 두었습니다. 세포가 "올바른" 자리에 "올바른" 유형이 되도록 안내합니다.

세포가 가장 먼저 한 일은 눈에 띄지 않았습니다. 수십 또는 수백 개의 세포로 구성된 공으로 모였습니다. 이러한 종류의 행동은 이미 잘 알려져 있으며 조직 손상 후 피부 세포가 표면적을 최대한 작게 만들어 상처 치유에 도움이 되는 경향을 반영합니다.

그러자 상황이 이상해졌습니다. 개구리 피부는 일반적으로 점액이 피부를 균일하게 덮도록 촉촉하게 유지하는 점액 보호 층으로 덮여 있으며, 피부 세포에는 움직이고 이길 수 있는 섬모라고 하는 털 같은 돌출부가 거의 없습니다. 우리는 또한 폐와 호흡기의 내벽에 있습니다. 여기서 뛰는 동작은 점액의 먼지를 쓸어내는 데 도움이 됩니다.

xenobots의 이 고배율 이미지는 표면에서 자라는 섬모를 보여주고 조정된 "로잉"을 통해 수영할 수 있도록 합니다. 개구리 상피 세포의 섬모는 일반적으로 매우 다른 목적을 수행합니다.

그러나 개구리 피부 세포 클러스터는 다른 목적으로 섬모를 빠르게 사용하기 시작했습니다. 클러스터에 중앙선이 형성되고 "한 쪽의 셀은 왼쪽으로, 다른 쪽의 셀은 오른쪽으로 열리며 이것이 벗겨집니다. 주변을 확대하기 시작합니다."라고 Levin은 말했습니다.

xenobot은 정중선을 그릴 위치를 어떻게 결정합니까? 그리고 이것이 유용할 것이라고 "말하는" 것은 무엇입니까? 아직 명확하지 않습니다.

그러나 이러한 개체는 단순히 움직이는 것이 아니라 환경에 반응하는 것처럼 보입니다. "그들은 때로는 직선으로, 때로는 원을 그리며 갈 것입니다."라고 Levin은 말했습니다. "물에 입자가 있으면 원을 그리게 됩니다. 그들은 미로를 할 것입니다. 그들은 아무것도 부딪히지 않고 모퉁이를 돌 수 있습니다.”

그는 “그들은 우리가 아직 인식하지도 못하는 많은 일을 하고 있다고 확신한다”고 덧붙였다.

새로 발표된 실험에서 배아 개구리 조직 조각에서 자발적으로 형성된 4개의 제노봇.

Jablonka는 대부분의 동물 발달 생물학자들이 이와 같은 실험 결과에 놀라지 않을 것이라고 생각합니다. “그들은 아마도 '네, 물론입니다! 왜 우리는 이전에 이 간단한 실험을 하지 않았습니까?'라고 그녀는 말했습니다. Solé는 다른 사람들이 우연히 비슷한 관찰을 우연히 발견했을 수도 있다고 생각하지만 "실수이거나 단순히 불가능하다고 생각했습니다."

아니면 그냥 간과되었을 수도 있다고 Jablonka는 대부분의 발달 연구는 전체 유기체 또는 그 일부가 정상 또는 약간 조작된 조건에서 어떻게 성장하는지 밝히는 것을 목표로 하기 때문이라고 말했습니다. 그러나 Levin의 작업에는 새로운 목표가 있다고 그녀는 말합니다.

제노봇은 일반적으로 약 1주일 동안 살며, 수정란에서 나온 영양분을 먹고 살아갑니다. 그러나 드문 경우지만 적절한 영양소를 "공급"함으로써 Levin의 팀은 제노봇을 90일 이상 활성 상태로 유지할 수 있었습니다. 수명이 더 긴 것들은 그대로 유지되지 않고 마치 새로운 발달 경로, 즉 목적지를 알 수 없는 것처럼 변화하기 시작합니다. 배아에서 올챙이로 자라는 그들의 화신 중 어느 것도 개구리처럼 보이지 않습니다.


삼투

물 100ml가 담긴 컵이 있고 물에 설탕 15g을 넣는다고 상상해 보십시오. The sugar dissolves and the mixture that is now in the cup is made up of a 용질 (the sugar) that is dissolved in the 용제 (the water). The mixture of a solute in a solvent is called asolution.

이제 100ml의 물이 담긴 두 번째 컵이 있고 물에 45g의 설탕을 첨가한다고 상상해 보십시오. 첫 번째 컵과 마찬가지로 설탕은 용질이고 물은 용매입니다. 그러나 이제 서로 다른 용질 농도의 두 가지 혼합물이 있습니다. 용질 농도가 다른 두 용액을 비교할 때 용질 농도가 더 높은 용액은 고장, and the solution with the lower solute concentration is 저장성. 동일한 용질 농도의 용액은 등장. 첫 번째 설탕 용액은 두 번째 용액에 대해 저장성입니다. 두 번째 설탕 용액은 첫 번째 설탕 용액에 고장성입니다.

You now add the two solutions to a beaker that has been divided by a selectively permeable membrane, with pores that are too small for the sugar molecules to pass through, but are big enough for the water molecules to pass through. 고장성 용액은 막의 한쪽에 있고 저장성 용액은 다른쪽에 있습니다. 고장성 용액은 저장성 용액보다 낮은 물 농도를 가지므로 이제 물의 농도 구배가 막을 가로질러 존재합니다. 물 분자는 두 용액이 등장성이 될 때까지 물 농도가 높은 쪽에서 농도가 낮은 쪽으로 이동할 것입니다. At this point, 평형 is reached.

삼투 선택적으로 투과성인 막을 가로질러 높은 농도의 영역에서 낮은 농도의 영역으로 물 분자의 확산입니다. 물은 삼투 작용에 의해 세포 안팎으로 이동합니다. If a cell is in a hypertonic solution, the solution has a lower water concentration than the cell cytosol, and water moves out of the cell until both solutions are isotonic. 저장성 용액에 넣은 세포는 외부 용액과 세포질이 등장성이 될 때까지 막을 가로질러 물을 흡수합니다.

A cell that does not have a rigid cell wall, such as a red blood cell, will swell and lyse (burst) when placed in a hypotonic solution. 세포벽이 있는 세포는 저장성 용액에 넣으면 부풀어 오지만 일단 세포가 부풀어 오르면(단단한) 단단한 세포벽은 더 이상 물이 세포로 들어가는 것을 방지합니다. 고장성 용액에 넣으면 세포벽이 없는 세포는 환경으로 수분을 잃고 쪼그라들며 아마도 죽을 것입니다. 고장성 용액에서 세포벽이 있는 세포도 물을 잃습니다. The plasma membrane pulls away from the cell wall as it shrivels, a process called 플라스모분해. 동물 세포는 등장성 환경에서 가장 잘하는 경향이 있고 식물 세포는 저장성 환경에서 가장 잘하는 경향이 있습니다. This is demonstrated in수치 아래에.

Unless an animal cell (such as the red blood cell in the top panel) has an adaptation that allows it to alter the osmotic uptake of water, it will lose too much water and shrivel up in a hypertonic environment. If placed in a hypotonic solution, water molecules will enter the cell, causing it to swell and burst. 식물 세포(하단 패널)는 고장성 용액에서 플라스몰화되지만 저장성 환경에서 가장 잘 작동하는 경향이 있습니다. 물은 식물 세포의 중앙 액포에 저장됩니다.

삼투압

물이 삼투에 의해 세포 안으로 이동하면 세포 내부에 삼투압이 형성될 수 있습니다. If a cell has a cell wall, the wall helps maintain the cell&rsquos water balance. 삼투압 is the main cause of support in many plants. 식물 세포가 저장성 환경에 있을 때, 물의 삼투압 유입은 압력이 세포로 더 많은 물이 들어오는 것을 막을 때까지 세포벽에 가해지는 팽압을 증가시킵니다. At this point the plant cell is turgid (수치 아래에). The effects of osmotic pressures on plant cells are shown in 수치 아래에.

The central vacuoles of the plant cells in this image are full of water, so the cells are turgid.

삼투 작용은 유기체, 특히 세포벽이 없는 유기체에 매우 해로울 수 있습니다. 예를 들어, 바닷물 물고기(세포가 바닷물과 등장성인 세포)를 민물에 넣으면 세포가 과도한 물을 흡수하고 용해되어 물고기가 죽습니다. 해로운 삼투 효과의 또 다른 예는 민달팽이와 달팽이를 죽이기 위해 식용 소금을 사용하는 것입니다.

삼투 제어

담수와 같은 저장성 환경에 사는 유기체는 세포가 삼투에 의해 너무 많은 물을 흡수하는 것을 방지할 방법이 필요합니다. NS 수축성 공포 세포에서 과도한 수분을 제거하는 일종의 액포입니다. Freshwater protists, such as the paramecium shown in 수치 below, have a contractile vacuole. 액포는 세포질에서 삼투에 의해 물을 흡수하는 여러 개의 운하로 둘러싸여 있습니다. 운하가 물로 채워진 후, 물은 액포로 펌핑됩니다. 액포가 가득 차면 구멍을 통해 세포 밖으로 물을 밀어냅니다.


Why a Special Transport System is Needed in Multicellular Animals

All cells, whether free living or part of a larger organism, need certain basic things to survive. If they are animal cells, they need oxygen for respiration and they must rid themselves of the waste gas, carbon dioxide. Plant cells must have access to carbon dioxide for photosynthesis and they also need oxygen when they are breaking down sugars to release energy in the process of cellular respiration. Animal cells, not able to make their own sugars through photosynthesis, also need nutrients to burn for energy and in order to grow and eventually reproduce. These activities produce waste products which must be voided from the cell. The build up of waste products can poison a cell and eventually kill it.

All this is easy for a single celled organism. Protozoa and single celled algae inhabit aquatic and marine environments, so they are surrounded by water. Single celled organisms are defined by the cellular membrane, which separates them from the surroundings, Being semipermeable, it also allows gases and nutrients to flow into the cell as needed, and waste products to move out. The movement does not have to be forced. Simple diffusion means that nutrients and gases will flow from areas of high concentration to areas of low. If the cell needs oxygen, it will move inward. If the levels of carbon dioxide go up, it will move out. The same is true of nutrients and waste products.

But what about cells buried deep in a multicellular organism? How do these cells, which need them as much as single cells, get oxygen and nutrients. How do they get rid of waste products? This is where transport systems become so necessary in higher animals and plants.

The simplest multicellular animals do not have special transport systems. Jellyfish and sponges pump water through and around their cells and no cell is buried so deep that it cannot get access to food, water and oxygen. Even the smallest and simplest worms do not need special transport systems, but this limits how big they can get. Flatworms, phylum Platyhelminthes, have only two cell layers, ectoderm and endoderm. The cells on the outside, which are muscular and move the animal about, are in contact with water and so can access food and oxygen and get rid of wastes. Platyhelminthes have one opening that serves as both mouth and anus and leads to a two way digestive system. By swallowing water and food, the cells on the inside can access the nutrients and oxygen and rid themselves of wastes. They are in direct contact with the ectoderm and so can pass broken down nutrients on to the outer cells as well.

But get a little bigger, add a mesoderm or middle layer, and the game plan has to change. In order to get bigger, organisms had to develop transport systems to supply cells that were no longer in direct contact with the environment. My first paid research work as a biologist was to study an ectoparasite of oysters, the polychaete worm, Polydora websteri, which makes mud burrows on the insides of the oyster shells, thus ruining a potentially valuable food item. When I looked at them under the microscope, I discovered that they had red blood, just like we do. They don’t have a heart but move the blood around the body with muscular movements. The food they eat and the oxygen they need moves in the blood cells to all the cells of the body. Then the blood moves waste products back out to the gut where they can be voided through the anus, just as in higher animals

By the time we get to arthropods and vertebrates, we find that these two very different animal groups have separately evolved an organ to move the blood, a muscular heart that pumps the blood around. This is the basic animal transport system: heart and blood vessels. In aquatic and marine animals, the blood passes through gills which puts the blood in contact with oxygen-rich water. In land animals, lungs have evolved and the blood capillaries pass through the oxygen-rich cells of the lungs where they can pick up oxygen and release carbon dioxide, still simply by the process of diffusion. Nutrients are picked up from the digestive system and waste products delivered to the excretory system. All this is only possible with an efficient transport system.

식물은 어떻습니까? How have they solved the problems of feeding their cells and removing waste products? Primitive plants are limited in size and cannot leave aquatic or marine environments because they lack transport systems. Higher plants have specialised tissues called xylem and phloem that perform the functions of the blood vessels in higher animals. Xylem carries water up and down the stems of higher plants while phloem carries nutrients. Phloem is responsible for moving sugars from the leaves down to the stem and root cells while moving minerals from the roots up to the above-ground cells.

How does this movement occur without a heart? It all has to do with the flow of water in the process of diffusion. Leaves have large cells called stomates from which water transpires into the surrounding environment. This causes water to be drawn up from the soil, through the roots and up xylem till it replaces the water that has been lost. Nutrients continue to move by diffusion from cells of high concentration (phloem) to other cells with low concentrations of nutrients. Waste products flow the opposite direction for the same reason.

Multicellular organisms need to provide their cells with water, oxygen and nutrients in order to maintain healthy cells. They do this with transport systems because those cells are no longer able to collect these ingredients or release waste products themselves. Without transport systems, higher organisms from redwood trees to humans, would not be possible.


Learning from the axolotl

To even begin to think about how we can one day be able to regrow lost human limbs, scientists must become intimately familiar with the changes that axolotl cells undergo during regeneration. One approach that has been successful thus far is discovering molecular tweaks that cause an axolotl to lose its regenerative ability, which can reveal regeneration’s most important components and contributors. For instance, the immune system was found to be an important player the limb regeneration process. Macrophages, which are cells that serve a critical role in the inflammation response after injury, were previously connected to regeneration. In fact, injecting a drug to get rid of macrophages in an axolotl’s limb before amputation leads to the accumulation of scar tissue instead of regrowth. This scarring, which happens when a protein called collagen becomes disordered, is a normal part of wound healing in humans, but it is unusual in axolotls. This result suggests that macrophages may be essential for regeneration. Tweaking the nervous system has also been shown to interfere with regeneration. Scientists have observed that surgically removing a limb’s nerves prior to amputation can hinder regeneration, though work is still being completed to better understand why this happens.

All of these previous methods, though, rely on needing to remove an otherwise crucial part of a healthy body (e.g. immune cells and parts of the nervous system). But scientists are now diving down to the level of genes to search for new insights. To accomplish this, researchers first attempted to answer the question of how many times an axolotl limb can successfully regenerate. By repeatedly amputating limbs, it was seen that by the fifth time, few limbs could regrow to their previous potential. Further, when the limbs that could not regenerate were studied further, researchers again found extensive scar tissue build-up, paralleling what is often seen in human injuries. By comparing the genes that were turned on or off when the axolotl’s limb wasn’t able to regrow, scientists have found more molecules and processes to study that hold promise for kick-starting regeneration in humans. Perhaps one day, drugs can be made to modulate these genes, causing them to turn on and help a human limb to regrow after amputation.


질문 : Osmosis Pre-Lab Questions What is the water potential of an open beaker containing pure water? Why don’t red blood cells swell or shrink in blood? How do osmotic power plants work? Research the structures that protect plant and animal cells from damage resulting from osmotic pressure. Write a few paragraphs explaining what they are, how they work, and where

What is the water potential of an open beaker containing pure water?

Why don’t red blood cells swell or shrink in blood?

How do osmotic power plants work?

Research the structures that protect plant and animal cells from damage resulting from osmotic pressure. Write a few paragraphs explaining what they are, how they work, and where they are located.

Experiment 1: Tonicity and the Animal Cell

Table 1: Osmosis Results

Solution Type

Before Osmosis

After Osmosis

10% Corn Syrup/90% Distilled Water

Table 2: Observations of Eggs After Osmosis

100% Distilled Water

100% Corn Syrup

10% Corn Syrup/
90% Distilled Water

Record your hypothesis from Step 15 here. Be sure to include scientific reasoning to support your predictions.

How do each of the three eggs placed in solution compare to the control egg?

For each beaker, identify whether the solution inside was hypotonic, hypertonic, or isotonic in comparison to the control beaker.

What was the direction of osmosis in the beaker labeled “100% distilled water”? Did the egg in this beaker burst?

Was there any liquid in the “control” beaker after 24-48 hours? If so, why do you think this is? If not, why do you think this is?

Which solution contained a dehydrated cell? Think about someone with a high sugar diet. Hypothesize how their cells might be affected by osmosis.

Experiment 2: Tonicity and the Plant Cell

Table 3: Water Displacement per Potato Sample

Potato Type

Potato Observations

Initial Displacement (mL)

Final Displacement (mL)

Net Displacement (mL)

How did the physical characteristics of the potato vary before and after the experiment? Did it vary by potato type?

What does the net change in the potato sample indicate?

Different types of potatoes have varying natural sugar concentrations. Explain how this may influence the water potential of each type of potato.

Based on the data from this experiment, hypothesize which potato has the highest natural sugar concentration. 당신의 추론을 설명하십시오.

Did water flow into or out of the plant cells (potato cells) in each of the samples examined? How do you know this?

Would this experiment work with other plant cells? What about with animal cells? 그 이유는 무엇?

From what you know of tonicity, what can you say about the plant cells and the solutions in the test tubes?

What do your results show about the concentration of the cytoplasm in the potato cells at the start of the experiment?

If the potato is allowed to dehydrate by sitting in open air, would the potato cells be more likely to absorb more or less water? 설명.


비디오 보기: Жануарлардың атын қазақша үйрену. Жануарлар қазақша. Балаларға қазақша үйрету (팔월 2022).