blogs about the sa blog network choose a blog search all blogs · videos, to the use of a classroom...

14
1/22/13 BIO101 – Physiology: Regulation and Control | A Blog Around The Clock, Scientific American Blog Network blogs.scientificamerican.com/a-blog-around-the-clock/2011/11/12/bio101-physiology-regulation-and-control/ 1/14 About the SA Blog Network Choose a blog.... Search All Blogs ADVERTISEMENT Most Read Posts Latest Posts Blogs A Blog Around The Clock Rhythms of Life in Meatspace and Cyberland A Blog Around The Clock Home About Contact BIO101 – Physiology: Regulation and Control By Bora Zivkovic | November 12, 2011 | Share Email Print In this lecture, as well as in the previous one and the next one, I tackle areas of Biology where I am really weak: origin of life, diversity of life, and taxonomy/systematics. These are also areas where there has been a lot of change recently (often not yet incorporated into textbooks), and I am unlikely to be upto date, so please help me bring these lectures up to standards…. This post was originally written in 2006 and reposted a few times, including in 2010. As you may know, I have been teaching BIO101 (and also the BIO102 Lab) to non traditional students in an adult education program for about twelve years now. Every now and then I muse about it publicly on the blog (see this, this, this, this, this, this and this for a few short posts about various aspects of it – from the use of videos, to the use of a classroom blog, to the importance of Open Access so students can read primary literature). The quality of students in this program has steadily risen over the years, but I am still highly constrained with time: I have eight 4 hour meetings with the students over eight weeks. In this period I have to teach them all of biology they need for their nonscience majors, plus leave enough time for each student to give a presentation (on the science of their favourite plant and animal) and for two exams. Thus I have to strip the lectures to the bare bones, and hope that those bare bones are what nonscience majors really need to know: concepts rather than factoids, relationship with the rest of their lives rather than relationship with the other sciences. Thus I follow my lectures with videos and classroom discussions, and their homework consists of finding cool biology videos or articles and posting the links on the classroom blog for all to see. A couple of Blog Network Highlights Guest Blog Brainiac parrots threatened by widespread lead poisoning The Scicurious Bra Dragonflies keepin eyes on the prize Observations Cassini Spacecraft Reveals Unprecedented Saturn Storm Guest Blog What Science Should We Fund? Questioning New Policy on H5N1 GainofFunction Research Observations Coughs Fool Patients into Unnecessary Requests for Antibiotics Observations LithiumIon Battery Fires Could Turn Boeing 787 Dreamliner into a Nightmare Observations Lance Armstrong Comes Clean—a Mixed Blessing Search ScientificAmerican.com Sign In / Register Subscription Center Subscribe to Print & Tablet » Subscribe to Print » Give a Gift » View the Latest Issue » Blogs Subscribe News & Features Topics Multimedia Education Citizen Science SA Magazine SA Mind Products

Upload: others

Post on 29-Mar-2021

4 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Blogs About the SA Blog Network Choose a blog Search All Blogs · videos, to the use of a classroom blog, to the importance of Open Access so students can read primary literature)

1/22/13 BIO101 – Physiology: Regulation and Control | A Blog Around The Clock, Scientific American Blog Network

blogs.scientificamerican.com/a-blog-around-the-clock/2011/11/12/bio101-physiology-regulation-and-control/ 1/14

About the SA Blog Network Choose a blog....    Search All Blogs  

ADVERTISEMENT

Most Read Posts Latest Posts

Blogs  

A Blog Around The ClockRhythms of Life in Meatspace and Cyberland

A Blog Around The Clock Home About Contact

BIO101 – Physiology: Regulation and ControlBy Bora Zivkovic |  November 12, 2011  |  

Share Email Print

In this lecture, as well as in the previous one and the next one, Itackle areas of Biology where I am really weak: origin of life,diversity of life, and taxonomy/systematics. These are alsoareas where there has been a lot of change recently (often notyet incorporated into textbooks), and I am unlikely to be up­to­date, so please help me bring these lectures up to standards….This post was originally written in 2006 and re­posted a few

times, including in 2010.

As you may know, I have been teaching BIO101 (and also the BIO102 Lab) to non­traditional students in an adult education program for about twelve years now.Every now and then I muse about it publicly on the blog (see this, this, this, this,this, this and this for a few short posts about various aspects of it – from the use ofvideos, to the use of a classroom blog, to the importance of Open Access so studentscan read primary literature). The quality of students in this program has steadilyrisen over the years, but I am still highly constrained with time: I have eight 4­hour meetings with the students over eight weeks. In this period I have to teachthem all of biology they need for their non­science majors, plus leave enough timefor each student to give a presentation (on the science of their favourite plant andanimal) and for two exams. Thus I have to strip the lectures to the bare bones, andhope that those bare bones are what non­science majors really need to know:concepts rather than factoids, relationship with the rest of their lives rather thanrelationship with the other sciences. Thus I follow my lectures with videos andclassroom discussions, and their homework consists of finding cool biology videosor articles and posting the links on the classroom blog for all to see. A couple of

Blog Network HighlightsGuest Blog

Brain iac par rots threatenedby widespread leadpoisoning

The Sc icur ious Brain

Dragonf l ies keep ing thei reyes on the pr ize

ObservationsCassini Spacecraft Reveals Unprecedented SaturnStorm

Guest BlogWhat Science Should We Fund? Questioning NewPolicy on H5N1 Gain­of­Function Research

ObservationsCoughs Fool Patients into Unnecessary Requestsfor Antibiotics

ObservationsLithium­Ion Battery Fires Could Turn Boeing 787Dreamliner into a Nightmare

ObservationsLance Armstrong Comes Clean—a Mixed Blessing

Search ScientificAmerican.com

Sign In / RegisterSubscription Center

Subscribe to Print & Tablet »

Subscribe to Print »

Give a Gift »

View the Latest Issue »

BlogsSubscribe News & Features Topics Multimedia Education Citizen Science SA Magazine SA Mind Products

Page 2: Blogs About the SA Blog Network Choose a blog Search All Blogs · videos, to the use of a classroom blog, to the importance of Open Access so students can read primary literature)

1/22/13 BIO101 – Physiology: Regulation and Control | A Blog Around The Clock, Scientific American Blog Network

blogs.scientificamerican.com/a-blog-around-the-clock/2011/11/12/bio101-physiology-regulation-and-control/ 2/14

Follow Us:

More »

Email address

See what we're tweeting aboutScientific American Editors

Latest Headlines on ScientificAmerican.comApple Shouldn t Make Software Look Like RealObjects

Gamma-Ray Burst Fingered For 774 A.D. C-14Spike

Obama Pledges To Address Climate, Energy

Curbing Climate Change Wil l Cost $700 Bil l ion aYear

Monday morning levity: Louisiana senator asks ifE. coli evolve into persons

ADVERTISEMENT

times I used malaria as a thread that connected all the topics – from cell biology toecology to physiology to evolution. I think that worked well but it is hard to do.They also write a final paper on some aspect of physiology.

Another new development is that the administration has realized that most of thefaculty have been with the school for many years. We are experienced, andapparently we know what we are doing. Thus they recently gave us much morefreedom to design our own syllabus instead of following a pre­defined one, as longas the ultimate goals of the class remain the same. I am not exactly sure when am Iteaching the BIO101 lectures again (late Fall, Spring?) but I want to startrethinking my class early. I am also worried that, since I am not actively doingresearch in the lab and thus not following the literature as closely, that some of thethings I teach are now out­dated. Not that anyone can possibly keep up with all theadvances in all the areas of Biology which is so huge, but at least big updates thataffect teaching of introductory courses are stuff I need to know.

I need to catch up and upgrade my lecture notes. And what better way thancrowdsource! So, over the new few weeks, I will re­post my old lecture notes (notethat they are just intros – discussions and videos etc. follow them in the classroom)and will ask you to fact­check me. If I got something wrong or something is out ofdate, let me know (but don’t push just your own preferred hypothesis if a questionis not yet settled – give me the entire controversy explanation instead). Ifsomething is glaringly missing, let me know. If something can be said in a nicerlanguage – edit my sentences. If you are aware of cool images, articles, blog­posts,videos, podcasts, visualizations, animations, games, etc. that can be used to explainthese basic concepts, let me know. And at the end, once we do this with all thelectures, let’s discuss the overall syllabus – is there a better way to organize all thismaterial for such a fast­paced class.

These posts are very old, and were initially on a private­set classroom

blog, not public. I have no idea where the images come from any more,

though many are likely from the textbook I was using at the time.

Please let me know if an image is yours, needs to be attributed or

removed. Thank you.

=================

It is impossible to cover all organ systems in detail over the course of just two

lectures. Thus, we will stick only to the basics. Still, I want to emphasize how much

organ systems work together, in concert, to maintain the homeostasis (and

rheostasis) of the body. I’d also like to emphasize how fuzzy are the boundaries

between organ systems – many organs are, both anatomically and functionally,

simultaneously parts of two or more organ systems. So, I will use an example you

are familiar with from our study of animal behavior – stress response – to illustrate

the unity of the well­coordinated response of all organ systems when faced with a

challenge. We will use our old zebra­and­lion example as a roadmap in our

exploration of (human, and generally mammalian) physiology:

So, you are a zebra, happily grazing out on the savannah. Suddenly you hear some

rustling in the grass. How did you hear it?

The movement of a lion produced oscillations of air. Those oscillations exerted

for Sports

mclott A New Presidential Term forClimate Changehttp://t.co/dwTRdAHH @sciam3 minutes ago · reply · retweet · favorite 

notscientific @lucasbrouwers Hashtaghashtag!!14 minutes ago · reply · retweet · favorite 

lucasbrouwers Next stop, Rotheraresearch station, Antarctica! Will try totweet my stay down south, connectionpermitting. http://t.co/oLXx66qH15 minutes ago · reply · retweet · favorite 

Free NewslettersGet the best from Scientific American in your inbox

Page 3: Blogs About the SA Blog Network Choose a blog Search All Blogs · videos, to the use of a classroom blog, to the importance of Open Access so students can read primary literature)

1/22/13 BIO101 – Physiology: Regulation and Control | A Blog Around The Clock, Scientific American Blog Network

blogs.scientificamerican.com/a-blog-around-the-clock/2011/11/12/bio101-physiology-regulation-and-control/ 3/14

pressure onto the tympanic membrane in your ears. The vibrations of the membrane

induced vibrations in three little bones inside the middle ear, which, in turn, induced

vibrations of the cochlea in the inner ear.

Cochlea is a long tube wrapped in a spiral. If the pitch of the sound is high (high

frequency of oscillations), only the first portion of the cochlea vibrates. With the

lowest frequences, even the tip of the cochlea starts vibrating. Cochlea is filled with

fluid. Withing this fluid there is a thin membrane transecting the cochlea along its

length. When the cochlea vibrates, this membrane also vibrates and those vibrations

move the hair­like protrusions on the surface of sensory cells in the cochlea. Those

cells send electrical impulses to the brain, where the sound is processed and

becomes a conscious sensation – you have heard the lion move.

The perception of the sound makes you look – yes, there is a lion stalking you, about

to leap! How do you see the lion? The waves of light reflected from the surface of the

lion travel to your eyes, enter through the pupil, pass through the lens and hit the

retina in the back of the eye.

Video of the Week

Thousands of Exoplanets Orbiting a SingleStar

Image of the Week

Darwin’s Neon Golf Balls

Page 4: Blogs About the SA Blog Network Choose a blog Search All Blogs · videos, to the use of a classroom blog, to the importance of Open Access so students can read primary literature)

1/22/13 BIO101 – Physiology: Regulation and Control | A Blog Around The Clock, Scientific American Blog Network

blogs.scientificamerican.com/a-blog-around-the-clock/2011/11/12/bio101-physiology-regulation-and-control/ 4/14

Photoreceptors in the eye (rods and cones) contain a pigment – a colored molecule– that changes its 3D structure when hit by light. In the rods, this pigment is called

rhodopsin and is used for black­and­white vision. In the rods, there are similarpigments – opsins – which are most sensitive to particular wavelengths of light

(colors) and are used to detect color. The change in 3D structure of the pigment

starts a cascade of biochemical reactions resulting in the changes in the electrical

potential of the cell – this information is then transferred to the next cell, the next

cell, and so on, until it reaches the brain, where the information about the shape,

color and movement of the objects (lion and the surrounding grass) is processed and

made conscious.

Page 5: Blogs About the SA Blog Network Choose a blog Search All Blogs · videos, to the use of a classroom blog, to the importance of Open Access so students can read primary literature)

1/22/13 BIO101 – Physiology: Regulation and Control | A Blog Around The Clock, Scientific American Blog Network

blogs.scientificamerican.com/a-blog-around-the-clock/2011/11/12/bio101-physiology-regulation-and-control/ 5/14

The ear and the eye are examples of the organs of the sensory system. Hearing is one

of many mechanical senses – others include touch, pain, balance, stretch receptors in

the muscles and tendons, etc. Many animals are capable of hearing sounds that we

cannot detect. For instance, bats and some of their insect prey detect the high­

pitched ultrasound (a case of a co­evolutionary arms­race). Likewise for dolphins

and some of their fish prey. Dogs do, too – that is why we cannot hear the dog

whistle. On the other hand, many large animals, e.g., whales, elephants, giraffes,

rhinos, crocodiles and perhaps even cows and horses, can detect the deep rumble of

the infrasound.

Vision is a sense that detects radiation in the visible specter. Many animals are

Page 6: Blogs About the SA Blog Network Choose a blog Search All Blogs · videos, to the use of a classroom blog, to the importance of Open Access so students can read primary literature)

1/22/13 BIO101 – Physiology: Regulation and Control | A Blog Around The Clock, Scientific American Blog Network

blogs.scientificamerican.com/a-blog-around-the-clock/2011/11/12/bio101-physiology-regulation-and-control/ 6/14

capable of seeing light outside of our visible specter. For instance, many insects and

birds and some small mammals can see ultraviolet light, while some snakes (e.g., pit

vipers like rattlesnakes and boids like pythons) and some insects (e.g., Melanophilabeetle and some wasps) can perceive infrared light.

Another type of sense is thermoreception – detection of hot and cold. Chemical

senses are attuned to particular molecules. Olfaction (smell) and gustation (taste)

are the best known chemical senses. Chemical senses also exist inside of our bodes –

they are capable of detecting blood pH, blood levels of oxygen, carbon dioxide,

calcium, glucose etc. Finally, some animals are capable of detecting other physical

properties of the environment., e.g., the electrical and magnetic fields.

All senses work along the same principles: a stimulus from the external or internalenvironment is detected by a specialized type of cell. Inside the cell a chemical

cascade begins – that is transduction. This changes the properties of the cell –usually its cell membrane potential – which is transmitted from the sensory cell tothe neighboring nerve cell, to the next cell, next cell and so on, until it ends in the

appropriate area of the nervous system, usually the brain. There, the sum of all

stimuli from all the cells of the sensory organ are interpreted (integrated andprocessed over time) and the neccessary action is triggered. This action can be

behavioral (movement), or it can be physiological: maintanance of homeostasis.

The sensory information is processed by the Central Nervous System (CNS): the

brain and the spinal cord.

All the nerve cells that take information from the periphery to the CNS are sensory

nerves. All the nerves that take the decisions made by the CNS to the effectors –

muscles or glands – are motor nerves. The sensory and motor pathways together

make Peripheral Nervous System.

Page 7: Blogs About the SA Blog Network Choose a blog Search All Blogs · videos, to the use of a classroom blog, to the importance of Open Access so students can read primary literature)

1/22/13 BIO101 – Physiology: Regulation and Control | A Blog Around The Clock, Scientific American Blog Network

blogs.scientificamerican.com/a-blog-around-the-clock/2011/11/12/bio101-physiology-regulation-and-control/ 7/14

The motor pathways are further divided into two domains: somatic nervoussystem is under voluntary control, while autonomic (vegetative) nervous system is

involuntary. Autonomic nervous system has two divisions: sympathetic and

parasymphatetic. Symphatetic nervous system is active during stress – it acts on

many other organ systems, releasing the energy stores, stimulating organs needed

for the response and inhibiting organs of no immediate importance.

Thus, a zebra about to be attacked by a lion is exhibiting stress response.Sympathetic nervous system works to release glucose (energy) stores from the liver,

stimulates the organs necessary for the fast escape – muscles – and all the other

systems that are needed for providing the muscles with energy – the circulatory and

respiratory systems. At the same time, digestion, immunity, excretion and

reproduction are inhibited. Once the zebra successfully evades the lion, sympathetic

system gets inhibited and the parasympathetic system is stimulated – it reverses

all the effects. The two systems work antagonistically to each other: they alwayshave opposite effects.

But, how does the nervous system work? Let’s look at the nerve cell – the neuron:

Page 8: Blogs About the SA Blog Network Choose a blog Search All Blogs · videos, to the use of a classroom blog, to the importance of Open Access so students can read primary literature)

1/22/13 BIO101 – Physiology: Regulation and Control | A Blog Around The Clock, Scientific American Blog Network

blogs.scientificamerican.com/a-blog-around-the-clock/2011/11/12/bio101-physiology-regulation-and-control/ 8/14

A typical neuron has a cell body (soma) which contains the nucleus and other

organelles. It has many thin, short processes – dendrites – that bring informationfrom other neighboring cells into the nerve cell, and one large, long process that

takes information away from the cell to another cell – the axon.

There is an electrical potential of the cell membrane – the voltage on the inside and

the outside of the cell is different. The inside of the neuron is usually around 70mV

more negative (­70mV) compared to the outside. This polarization is accomplished

by the specialized proetins in the cell membrane – ion channels and ion

transporters. Using energy from ATP, they transport sodium out of the cell and

potassium into the cell (also chlorine into the cell). As ions can leak through the

membrane to some extent, the cell has to constantly use energy to maintain the

resting membrane potential.

An electrical impulse coming from another cell will change the membrane potential

of a dendrite. This change is usually not sufficiently large to induce the neuron to

respond. However, if many such stimuli occur simultaneously they are additive – the

neuron sums up all the stimulatory and inhibitory impulses it gets at any given time.

If the sum of impulses is large, the change of membrane potential will still be large

when it travels across the soma and onto the very beginning of the axon – axonhillock. If the change of the membrane potential at the axon hillock crosses athreshold (around ­40mV or so), this induces sodium channels at the axon hillock to

open. Sodium rushes in down its concentration gradient. This results in further

depolarization of the membrane, which in turn results in opening even more sodium

channels which depolarizes the membrane even more – this is a positive feedback

loop – until all of the Na­channels are open and the membrane potential is now

positive. Reaching this voltage induces the opening of the potassium channels.

Page 9: Blogs About the SA Blog Network Choose a blog Search All Blogs · videos, to the use of a classroom blog, to the importance of Open Access so students can read primary literature)

1/22/13 BIO101 – Physiology: Regulation and Control | A Blog Around The Clock, Scientific American Blog Network

blogs.scientificamerican.com/a-blog-around-the-clock/2011/11/12/bio101-physiology-regulation-and-control/ 9/14

Potassium rushes out along its concentration gradient. This results in repolarization

of the membrane. The whole process – from initial small depolarization, through the

fast Na­driven depolarization, subsequent K­driven repolarization resulting in a

small overshoot and the return to the normal resting potential – is called an ActionPotential which can be graphed like this:

An action potential generated at the axon hillock results in the changes of membrane

potential in the neighboring membrane just down the axon where a new action

potential is generated which, in turn, results in a depolarization of the membrane

further on down the axon, and so on until the electrical impulse reaches the end of

the axon. In vertebrates, special cells called Schwann cells wrap around the axonsand serve as isolating tape of sorts. Thus, the action potential instead of spreading

gradually down the axon, proceeds in jumps – this makes electrical transmission

much faster – something necessary if the axon is three meters long as in the nerves

of the hind leg of a giraffe.

What happens at the end of the axon? There, the change of membrane polarity

results in the opening of the calcium channels and calcium rushes in (that is why

calcium homeostasis is so important). The end of the axon contains many small

packets filled with a neurotransmitter. Infusion of calcium stimulates thesepackets to fuse with the cell membrane and release the neurotransmitter out of the

cell. The chemical ends up in a very small space between the axon ending and the

membrane of another cell (e.g., a dendrite of another neuron). The membrane of that

other cell has membrane receptors that respond to this neurotransmitter. The

activation of the receptors results in the local change of membrane potential.

Stimulatory neurotransmitters depolarize the membrane (make it more positive),

while inhibitory neurotransmitters hyperpolarize the membrane – make it more

negative, thus harder to produce an action potential.

Page 10: Blogs About the SA Blog Network Choose a blog Search All Blogs · videos, to the use of a classroom blog, to the importance of Open Access so students can read primary literature)

1/22/13 BIO101 – Physiology: Regulation and Control | A Blog Around The Clock, Scientific American Blog Network

blogs.scientificamerican.com/a-blog-around-the-clock/2011/11/12/bio101-physiology-regulation-and-control/ 10/14

The target of a nerve cell can be another neuron, a muscle cell or a gland. Many

glands are endocrine glands – they release their chemical products, hormones,into the bloodstream. Hormones act on distant targets via receptors. While

transmission of information in the nervous system is very fast – miliseconds, in the

endocrine system it takes seconds, minutes, hours, days, months (pregnancy), even

years (puberty) to induce the effect in the target. While transmission within the

nervous system is local (cell­to­cell) and over very short distances – the gap within a

synapse is measured in Angstroms – the transmission within the endocrine system is

over long distances and global – it affects every cell that possesses the right kind of

receptors.

Many endocrine glands are regulated during the stress response, and many of them

participate in the stress response. The thyroid gland releases thyroxine – ahormone that acts via nuclear receptors. Thyroxine has many fuctions in the body

and several of those are involved in the energetics of the body – release of energy

from the stores and production of heat in the mitochondria. It also produces

calcitonin which is one of the regulators of calcium levels in the blood.

Parathyroid gland is, in humans, embedded inside the thyroid gland. Its hormone,parathormone is the key hormone of calcium homeostasis. Calcitonin and

Page 11: Blogs About the SA Blog Network Choose a blog Search All Blogs · videos, to the use of a classroom blog, to the importance of Open Access so students can read primary literature)

1/22/13 BIO101 – Physiology: Regulation and Control | A Blog Around The Clock, Scientific American Blog Network

blogs.scientificamerican.com/a-blog-around-the-clock/2011/11/12/bio101-physiology-regulation-and-control/ 11/14

parathormone are antagonists: the former lowers and the latter raises blood

calcium. Together, they can fine­tune the calcium levels available to neurons,

muscles and heart­cells for their normal function.

Pancreas secretes insulin and glucagon. Insulin removes glucose from blood andstores it in muscle and liver cells. Glucagon has the opposite effect – it releases

glucose from its stores and makes it available to cells that are in need of energy, e.g.,

the muscle cells of a running zebra. Together, these two hormones fine­tune the

glucose homeostasis of the body.

Adrenal gland has two layers. In the center is the adrenal medulla. It is a partof the nervous system and it releases epineprhine and norepinephrine (alsoknown as adrenaline and noradrenaline). These are the key hormones of the stress

response. They have all the same effects as the sympathetic nervous system, which is

not surprising as norepinephrine is the neurotransmitter used by the neurons of the

sympathetic system (parasympathetic system uses acetylcholine as a transmitter).

The outside layer is the adrenal cortex. It secretes a lot of hormones. The mostimportant are aldosterone (involved in salt and water balance) and cortisol whichis another important stress hormone – it mobilizes glucose from its stores and

makes it available for the organs that need it. Sex steroid hormones are alsoproduced in the adrenal cortex. Oversecretion of testosterone may lead to

development of some male features in women, e.g., growing a beard.

Ovary and testis secrete sex steroid hormones. Testis secretes testosterone,while ovaries secrete estradiol (an estrogen) and progesterone. Progesteronestimulates the growth of mammary glands and prepares the uterus for pregnancy.

Estradiol stimulates the development of female secondary sexual characteristics

(e.g., general body shape, patterns of fat deposition and hair growth, growth of

breasts) and is involved in monthly preparation for pregnancy.

Testosterone is very important in the development of a male embryo. Our default

condition is female. Lack of sex steroids during development results in the

development of a girl (even if the child is genetically male). Secretion of testosterone

at a particular moment during development turns female genitals into male genitals

and primes many organs, including the brain, to be responsive to the second big

surge of testosterone which happens at the onset of puberty. At that time, primed

tissues develop in a male­specific way, developing male secondary sexual

characteristics (e.g., deep voice, beard, larger muscle mass, growth of genitalia,

male­typical behaviors, etc.).

Many other organs also secrete hormones along with their other functions. The

heart, kidney, lung, intestine and skin are all also members of the endocrine system.

Thymus is an endocrine gland that is involved in the development of the immunesystem – once the immune system is mature, thymus shrinks and dissappears.

Many of the endocrine glands are themselves controlled by other hormones secreted

by the pituitary gland – the Master Gland of the endocrine system. For instance,the anterior portion of the pituitary gland secretes hormones that stimulate the

release of thyroxine from the thyroid gland, cortisol from the adrenal cortex, and sex

steroids form the gonads. Other hormones secreted by the anterior pituitary are

prolactin (stimulates production of milk, amog else) and growth hormone

Page 12: Blogs About the SA Blog Network Choose a blog Search All Blogs · videos, to the use of a classroom blog, to the importance of Open Access so students can read primary literature)

1/22/13 BIO101 – Physiology: Regulation and Control | A Blog Around The Clock, Scientific American Blog Network

blogs.scientificamerican.com/a-blog-around-the-clock/2011/11/12/bio101-physiology-regulation-and-control/ 12/14

(which stimulates cells to produce autocrine and paracrine hormones which

stimulate cell­division). The posterior portion of the pituitary is actually part of the

brain – it secretes two hormones: antidiuretic hormone (control of waterbalance) and oxytocin (stimulates milk let­down and uterine contractions, amongother functions).

All these pituitary hormones are, in turn, controlled (either stimulated or inhibited)

by hormones/factors secreted by the hypothalamus which is a part of the brain,which makes the brain the biggest and most important endocrine gland of all.

Pineal organ is a part of the brain (thus central nervous system). In all vertebrates,except mammals and snakes, it is also a sensory organ – it perceieves light (which

easily passes through scales/feathers, skin and skull). In seasonally breeding

mammals, it is considered to be a part of the reproductive system. In all vertebrates,

it is also an endocrine organ – it secretes a hormone melatonin. In all vertebrates,the pineal organ is an important part of the circadian system – a system that is

involved in daily timing of all physiological and behavioral functions in the body. In

many species of vertebrates, except mammals, the pineal organ is the Master Clock

of the circadian system. In mammals, the master clock is located in the

hypothalamus of the brain, in a structure known as the suprachiasmatic nucleus(SCN).

Retina is part of the eye (sensory system), it is part of the brain (nervous system), it

also secretes melatonin (endocrine system) and contains a circadian clock (circadian

system) in all vertebrates. In some species of birds, the master clock is located in the

retina of the eye. The day­night differences in light intensity entrain (synchronize)the circadian system with the cycles in the environment. Those differences in light

intensity are perceived by the retina, but not by photoreceptor cells (rods and

cones). Instead, a small subset of retinal ganglion cells (proper nerve cells) contains

a photopigment melanopsin which changes its 3D structure when exposed to lightand sends its signals to the SCN in the brain.

Wherever the master clock may be located (SCN, pineal or retina) in any particular

species, its main function is to coordinate the timing of peripheral circadian

Page 13: Blogs About the SA Blog Network Choose a blog Search All Blogs · videos, to the use of a classroom blog, to the importance of Open Access so students can read primary literature)

1/22/13 BIO101 – Physiology: Regulation and Control | A Blog Around The Clock, Scientific American Blog Network

blogs.scientificamerican.com/a-blog-around-the-clock/2011/11/12/bio101-physiology-regulation-and-control/ 13/14

TweetTweet 0 6 StumbleUpon

T ags: BIO101

clocks which are found in every single cell in the body. Genes that code for proteinsthat are important for the function of a particular tissue (e.g., liver enzymes in liver

cells, neurotransmitters in nerve cells, etc.) show a daily rhythm in gene expression.

As a result, all biochemical, physiological and behavioral functions exhibit daily

(circadian) rhythms, e.g., body temperature, blood pressure, sleep, cognitive

abilities, etc. Notable exceptions are functions that have to be kept within a very

narrow range of values, e.g., blood pH and blood concentration of calcium.

So, nervous, endocrine, sensory and circadian systems are all involved in control and

regulation of other functions in the body. We will see what happens to all those

other functions in the stressed, running zebra next week.

Previously in this series:

BIO101 – Biology and the Scientific Method

BIO101 – Cell Structure

BIO101 – Protein Synthesis: Transcription and Translation

BIO101: Cell­Cell Interactions

BIO101 – From One Cell To Two: Cell Division and DNA Replication

BIO101 – From Two Cells To Many: Cell Differentiation and Embryonic

Development

BIO101 – From Genes To Traits: How Genotype Affects Phenotype

BIO101 – From Genes To Species: A Primer on Evolution

BIO101 – What Creatures Do: Animal Behavior

BIO101 – Organisms In Time and Space: Ecology

BIO101 – Origin of Biological Diversity

BIO101 – Evolution of Biological Diversity

BIO101 – Current Biological Diversity

BIO101 – Introduction to Anatomy and Physiology

About the Author: Bora Zivkovic is the Blog Editor at Scientific American, chronobiologist, biology

teacher, organizer of ScienceOnline conferences and editor of Open Laboratory anthologies of best

science writing on the Web. Follow on Twitter @boraz.

More »

The views expressed are those of the author and are not necessarily those of Scientific American.

Previous: Education atScienceOnline2012

MoreA Blog Around The Clock

Next: Movies and Video atScienceOnline2011

Like 10 ShareShare 6

Add a Comment Add Comment

Page 14: Blogs About the SA Blog Network Choose a blog Search All Blogs · videos, to the use of a classroom blog, to the importance of Open Access so students can read primary literature)

1/22/13 BIO101 – Physiology: Regulation and Control | A Blog Around The Clock, Scientific American Blog Network

blogs.scientificamerican.com/a-blog-around-the-clock/2011/11/12/bio101-physiology-regulation-and-control/ 14/14

You must sign in or register as a ScientificAmerican.com member to submit a comment.Click one of the buttons below to register using an existing Social Account.

YES! Send me a free issue of Scientific American withno obligation to continue the subscription. If I like it, Iwill be billed for the one-year subscription.

Email Address

Name

Continue

Advertise About Scientific American Subscribe

Special Ad Sections Press Room Renew Your Subscription

Science Jobs Site Map Buy Back Issues

Partner Network Terms of Use Products & Services

International Editions Privacy Policy Subscriber Customer Service

Travel Contact UsUse of Cookies

Scientific American is a trademark of Scientific American, Inc., used with permission

© 2013 Scientific American, a Division of Nature America, Inc.

All Rights Reserved.