Tytuł oryginału: Anatomy 101: from Muscles and Bones to Organs and Systems, your Guide to How the Human Body Works

Published by arrangement with Adams Media, an Imprint of Simon & Schuster, Inc.,
1230 Avenue of the Americas, New York, NY 10020, USA.
Copyright © 2015 by Simon & Schuster, Inc.
© Copyright for the Polish edition by Wydawnictwo Zwierciadło Sp. z o.o., Warszawa 2024

W książce znajdują się fragmenty z publikacji The Everything® Guide to Anatomy and Physiology
autorstwa dr Kevina Langforda,
Copyright © 2015 by Simon & Schuster, Inc.

Tłumacz: Agata Trzcińska-Hildenbrandt/Quendi Language Services

Redakcja i korekta: Anna Stawińska/Quendi Language Services

Ilustracje okładkowe: rawpixel.com

Projekt okładki: Eliza Luty

Redaktor inicjująca: Blanka Wośkowiak

Dyrektor produkcji: Robert Jeżewski

Niniejsza książka zawiera porady i informacje dotyczące opieki zdrowotnej. Powinna być traktowana jako uzupełnienie, a nie zastępstwo konsultacji z lekarzem czy innym wykwalifikowanym pracownikiem ochrony zdrowia. Jeśli wiesz albo podejrzewasz, że cierpisz z powodu jakiegoś problemu zdrowotnego, wskazane jest, abyś zasięgnął porady lekarza, zanim rozpoczniesz jakiekolwiek program zdrowotny na własną rękę. Wszelkie decyzje zdrowotne powinny być podejmowane w porozumieniu z lekarzem. Dołożono wszelkich starań, aby informację zawarte w tej książce były dokładne i aktualne w dniu publikacji. Wydawnictwo nie ponosi żadnej odpowiedzialności wobec osób lub podmiotów za jakiekolwiek ewentualne szkody wynikłe bezpośrednio lub pośrednio z wykorzystania, zastosowania lub interpretacji informacji zawartych w książce.

Wydanie I, 2024

ISBN: 978-83-8132-581-3

Wydawnictwo Zwierciadło Sp. z o.o.
ul. Widok 8, 00-023 Warszawa
tel. 22 312 37 12

Dział handlowy:
handlowy@grupazwierciadlo.pl

Wszelkie prawa zastrzeżone. Reprodukowanie, kopiowanie w urządzeniach przetwarzania danych, odtwarzanie, w jakiejkolwiek formie oraz wykorzystywanie w wystąpieniach publicznych tylko za wyłącznym zezwoleniem właściciela praw autorskich.

Konwersja: eLitera s.c.

WPROWADZENIE
PODSTAWY ANATOMII I FIZJOLOGII

Człowiek od zawsze fascynował się własnym ciałem. Doskonałym na to dowodem są wczesne rysunki naukowe i diagramy. Nawet rysunki naskalne i późniejsze hieroglify sugerują, że ludzie byli świadomi, jak złożoną maszynerią jest ciało. Fascynacja ta trwa do dzisiaj, gdy nasza wiedza w tym zakresie jest coraz większa. Jej zakres powiększył się znacząco na przestrzeni zaledwie ostatnich 20 lat.

Analiza organizmu dzieli się na dwie odmienne, ale ściśle powiązane ze sobą dyscypliny. Anatomia człowieka to badanie struktury ciała, a fizjologia to analiza jego funkcji. Razem pomagają nam zrozumieć, jak działa ludzkie ciało. W tej książce nie tylko poznasz budowę ludzkiego ciała i funkcje jego poszczególnych części, ale także dowiesz się, dlaczego działa tak, a nie inaczej.

Misterne połączenia komórek, tkanek i narządów ułatwiają wykonywanie wielu funkcji jednocześnie, a złożone procesy biochemiczne pozwalają na ich realizację. W Anatomii. Przewodniku dla lubiących rozkminiać bez bólu znajdziesz przystępne wyjaśnienie wszystkich tych procesów i struktur ludzkiego ciała. Po zakończeniu lektury będziesz lepiej znać swoje ciało.

W procesie poznawania anatomii i fizjologii – szczególnie na początkowych etapach – złożoność ludzkiego organizmu może wydawać się przytłaczająca, szczególnie jeżeli dotychczas twoja znajomość biologii była ograniczona. Nie poddawaj się! Ta książka jest przeznaczona dla czytelników, którzy nie mają jeszcze doktoratu z biochemii. Nawet jeśli od czasów lekcji biologii w szkole minęło kilkadziesiąt lat, uważna lektura pozwoli ci zrozumieć zasady funkcjonowania organizmu. Dzięki solidnym podstawom przedstawionym w pierwszej części zrozumiesz zawiłości działania ludzkiego ciała. W końcu egzemplarz do analizy masz dosłownie pod ręką – to ogromny plus!

Ludzkie ciało składa się z narządów i struktur, które łączą je ze sobą – może to wydawać się oczywiste, ale ta książka nie zaczyna się od tej szerokiej perspektywy. Przeciwnie, na wstępie zajmiemy się poziomem mikro, komórkami i procesami, dzięki którym wiedzą, co, kiedy i jak mają robić. Przyjrzymy się biochemicznym podstawom życia – jego składowym organicznym i nieorganicznym, związkom i cząsteczkom, które są niezbędne do funkcjonowania organizmu. Przeanalizujemy, jak komunikują się i mnożą komórki. Dzięki temu zyskasz solidne podstawy, by zrozumieć dalsze części książki.

Kiedy już je przyswoisz, to przejdziemy do omówienia tkanek, z których składają się wszystkie narządy w organizmie. Z kolei po tkankach nadejdzie czas na główne układy ciała człowieka, w tym układ kostny, nerwowy, sercowo-naczyniowy i oddechowy.

Dla każdego układu opisano również typowe dla niego choroby i zaburzenia. Poruszane są również pokrewne tematy, takie jak sposób, w jaki narządy zmysłów łączą się w system przetwarzania bodźców i wpływ, jaki odżywianie ma na zdrowie.

Potraktuj tę książkę jako kompleksowe źródło informacji na temat ludzkiego ciała od palców u nóg (stóp) do czaszki (głów).

CHEMIA KOMÓREK

Reakcje jądrowe i dlaczego je kochamy

Wszystko we wszechświecie – od największych gwiazd na niebie po najmniejsze ziarenko piasku na plaży – zbudowane jest z materii. Bardziej precyzyjnie, z materii składa się wszystko, co zajmuje przestrzeń i ma masę. Może się wydawać, że małe ziarenko piasku nie zajmuje wcale miejsca i nic nie waży, ale zauważ, co dzieje się, gdy dostanie ci się do buta. Docenisz wtedy fakt, że jest obiektem fizycznym.

Materię możemy nazwać „substancją fizyczną” (w przeciwieństwie do przypadkowej myśli o tym, co dziś na obiad, bo przypadkowe myśli nie mają fizycznej istoty).

Badanie struktury materii, jej właściwości i sposobu, w jaki różne rodzaje materii wchodzą ze sobą w interakcje, nazywamy chemią, a zrozumienie podstaw chemii jest kluczowe dla poznania zasad anatomii i fizjologii.

Nasze ciała i świat, w którym żyjemy, są możliwe dzięki interakcji atomów (znasz je prawdopodobnie jako podstawowe składniki materii). Atomy tworzą pierwiastki – to rodzaj materii, której nie da się rozłożyć na składowe metodami chemicznymi (potrzebna jest do tego reakcja jądrowa, bez niej ani rusz). Poszczególne pierwiastki łączą się ze sobą w komórki, które są najmniejszymi jednostkami strukturalnymi w ludzkim ciele i pełnią określone funkcje. Komórki krwi na przykład transportują tlen do poszczególnych części ciała. Ich budowa znacznie różni się od budowy komórek pełniących inne funkcje, jak komórki nerwowe czy mięśniowe. Budową komórek, ale także ich funkcjami rządzi chemia.

KLUCZOWE PIERWIASTKI

Żaden organ w ludzkim ciele nie jest „najważniejszy” i, analogicznie, do istnienia życia niezbędnych jest kilka pierwiastków. Oto jedne z najważniejszych pierwiastków dla wszystkich istot żyjących na ziemi:

• wodór (oznaczany symbolem chemicznym H)

• węgiel (C)

• azot (N)

• tlen (0).

Niezależnie od tego, czy chodzi o powietrze, którym oddychamy, jedzenie, które spożywamy, czy substancje, z których powstają fizyczne struktury ludzkiego ciała, bez tych pierwiastków ludzkość by nie istniała. Co sprawia, że są one tak istotne dla powstania życia? Ich zdolność do interakcji z innymi pierwiastkami, a następnie tworzenie ważnych cząsteczek (element składowy materii, który zbudowany jest z więcej niż jednego atomu) lub związków (cząsteczek zbudowanych z dwóch lub większej liczby różnych pierwiastków). A jak to robią? Dzięki ich strukturze subatomowej i cząstkom subatomowym.

ANATOMIA SŁOWA

CZĄSTECZKA

Cząsteczka to element składowy materii, który składa się z więcej niż jednego atomu. Cząsteczkę mogą tworzyć atomy tego samego pierwiastka (np. cząsteczka tlenu) lub różnych pierwiastków, co oznacza, że cząsteczka może być związkiem (np. cząsteczka wody, którą tworzą atomy wodoru i tlenu).

CZĄSTKI SUBATOMOWE

Wszystkie atomy składają się z trzech podstawowych cząstek subatomowych (czyli elementów mniejszych od samego atomu):

• protonów (które mają dodatni ładunek elektryczny)

• neutronów (które nie mają ładunku)

• elektronów (które mają ujemny ładunek elektryczny).

Liczba i organizacja tych cząstek decyduje o tym, czy dany atom będzie łatwo wchodził w interakcje z jakimkolwiek innym atomem, a także określa, jakiego rodzaju to atom. Jeśli atom ma tylko jeden proton, to musi być atomem wodoru.

Protony mają dodatni ładunek i znajdują się w jądrze atomu.

SKĄD SIĘ BIORĄ LICZBY ATOMOWE?

Liczba atomowa pierwiastka to liczba protonów w jądrze jego atomu. Na przykład, liczba atomowa węgla to 6, co oznacza, że ma on w jądrze 6 protonów. Z kolei w jądrze tlenu znajduje się 8 protonów.

Drugą cząstką w jądrze atomu jest neutron. Neutrony (nie) mają co prawda ładunku, ale przyczyniają się do zwiększenia masy atomu. Stąd też masa atomowa atomu to liczba protonów i neutronów w jego jądrze. Co to oznacza? Liczba atomowa węgla to 6 (bo ma 6 protonów), ale jego masa atomowa to 12 (bo w jego jądrze jest również 6 neutronów).

W tej sytuacji jednak ładunek atomu jest niezbilansowany, a podobnie jak większość rzeczy we wszechświecie, atomy dążą do równowagi. Co ją zapewnia? Ujemnie naładowane cząstki, które krążą wokół jądra. Są to elektrony. To właśnie przyciąganie elektrostatyczne między elektronami i protonami utrzymuje elektrony na orbicie wokół jądra, podobnie jak grawitacja Ziemi utrzymuje Księżyc na jej orbicie. Stan naturalnej równowagi atomu zapewnia taka sama liczba protonów, co neutronów, dzięki czemu ładunek netto atomu jest neutralny.

Elektrony nie są jednak ograniczone do jednego miejsca, jak jądro atomu. Krążą po orbitach (powłokach) wokół jądra. Atom może mieć wiele powłok. Na ilustracjach poglądowych prezentuje się je często jako koncentryczne okręgi, z których pierwszy znajduje się najbliżej jądra. Pierwsza powłoka dowolnego atomu (czyli ta, która znajduje się najbliżej jądra) może zawierać do 2 elektronów. Po jej zapełnieniu, jeśli atom ma więcej elektronów, są one przyporządkowywane do kolejnej powłoki, która mieści do 8 elektronów. Po zapełnieniu następnej powłoki (jeżeli są jeszcze elektrony), są one przypisywane do kolejnej, i tak dalej. Wszystkie powłoki poza pierwszą mogą pomieścić do 8 elektronów.

REGULAMIN POWŁOK

W przypadku węgla o liczbie atomowej 6 (co oznacza 6 protonów, a tym samym 6 elektronów), 2 elektrony znajdują się na pierwszej powłoce, a pozostałe 4 na drugiej (zewnętrznej).

Dzięki podstawowej wiedzy na temat atomów i cząstek subatomowych możemy lepiej zrozumieć, w jaki sposób atomy łączą się ze sobą, tworząc cząsteczki i związki.

FAKTYCZNE ELEMENTY SKŁADOWE MATERII

Od kiedy odkryto cząstki subatomowe, naukowcy rwą sobie włosy z głowy, gdy słyszą, że budulcem materii są atomy. Takie na przykład protony są mniejsze od atomów i przez wiele lat uważano je za podstawowy budulec materii... dopóki nie odkryto kwarków, które mają niewielkie ładunki i łączą się w protony i neutrony. Choć nikt nigdy kwarka nie widział, to eksperymenty dowodzą, że musi on istnieć. A więc to kwarki są w rzeczywistości podstawowym budulcem materii (i będą nim, dopóki ktoś nie odkryje czegoś jeszcze mniejszego).

UKŁAD OKRESOWY PIERWIASTKÓW

Aby pokazać związki między pierwiastkami, naukowcy ułożyli je w układ okresowy, który prawdopodobnie pamiętasz z lekcji chemii w szkole podstawowej. Zaczyna się on od pierwiastka o masie atomowej 1 (wodór) i przechodzi do – hmm, to zależy od tabeli, z którą miałeś styczność. Istnieje 114 pierwiastków, których występowanie potwierdzono, ale podejrzewa się istnienie kilku innych, takich jak 118 (oganesson, syntetyczny pierwiastek, o którym nie wiadomo zbyt wiele). Dziewięćdziesiąt osiem pierwiastków występuje w naturze; pozostałe można znaleźć tylko w laboratoriach (gdzie są syntetyzowane).

Każda pozycja w tabeli podaje liczbę atomową pierwiastka i jego symbol chemiczny. W niektórych podana jest także masa atomowa. Z kolei podział kolorystyczny ma na celu wskazanie grup pierwiastków o podobnych właściwościach.

WIĄZANIA CHEMICZNE

Jak atomy trzymają się razem

Atomy czasami tworzą połączenia (wiązania) z innymi atomami, budując związki, które nazywamy cząsteczkami lub molekułami. Więzi te bywają trwałe, ale czasem są krótsze niż żywot motyla. Wiązania między atomami są zasadniczo efektem przyciągania między przeciwnymi ładunkami. Jeżeli zewnętrzna powłoka atomu jest już wypełniona elektronami, to mało prawdopodobne, by utworzył cząsteczkę lub związek z innymi atomami tego samego czy innego pierwiastka.

Jeżeli jednak na zewnętrznej (walencyjnej) powłoce atom ma wolne miejsca, to jest bardziej podatny na tworzenie wiązań. Wiązanie może powstać, jeżeli atom oddaje elektrony innym atomom lub przyjmuje je od nich albo współdzieli z nimi elektrony.

WIĄZANIE JONOWE

Wiązanie jonowe powstaje, gdy dwa atomy tworzą cząsteczki, oddając innym elektrony lub pobierając je od innych, by uzupełnić swoją zewnętrzną powłokę. Klasycznym tego przykładem jest sól (chlorek sodu, NaCl). Sód (Na) ma pojedynczy elektron na zewnętrznej (trzeciej) powłoce. Jest on bardzo samotny. Aby zapełnić swoją powłokę walencyjną, sód mógłby pozyskać 7 dodatkowych elektronów z innych atomów, ale byłoby to bardzo pracochłonne i niepraktyczne, a w kilku amerykańskich stanach jest całkowicie niezgodne z prawem. Dlatego też Na oddaje swój samotny elektron, zachowując wypełnioną po brzegi ośmioma elektronami drugą powłokę, co tworzy bardzo stabilny układ. Teraz jednak ma 10 elektronów i 11 protonów. Ta nierównowaga między protonami i elektronami powoduje powstanie jonu. W tym przypadku jon sodu z 10 elektronami ma ogólny ładunek dodatni.

Z kolei chlor (Cl) ma ten dylemat, że potrzebuje jednego elektronu, aby uzupełnić swoją zewnętrzną powłokę. Przy liczbie atomowej 17 na trzeciej powłoce atomu chloru znajduje się siedem elektronów i jest miejsce na ósmy, co czyni chlor naturalnym partnerem dla sodu (nie musiał nawet rejestrować się na portalu randkowym). Sód oddaje swój elektron chlorowi, który wykorzystuje go do uzupełnienia swojej powłoki walencyjnej. Ponieważ ma teraz o jeden elektron więcej niż protonów, staje się jonem chlorkowym o ogólnym ładunku ujemnym.

Tak właśnie powstaje wiązanie. Dodatni ładunek jonu Na⁺ jest przyciągany przez ujemny ładunek jonu Cl⁻, a oba tworzą umiarkowanie silne wiązanie chemiczne, w efekcie którego powstaje NaCl, czyli sól.

ANATOMIA SŁOWA

JON

Jon to atom o ładunku niezerowym, który ma nierówną liczbę elektronów i protonów. Może mieć ładunek dodatni lub ujemny, w zależności od tego, czy ma mniej elektronów niż protonów (ładunek dodatni), czy więcej elektronów niż protonów (ładunek ujemny).

WIĄZANIE WODOROWE

Wiązania wodorowe powstają, gdy atomy dzielą się elektronami w związkach nierównomiernie. Klasycznym przykładem tego typu wiązania jest woda. Liczba atomowa wodoru to 1, więc jego jedyna powłoka jest wypełniona w połowie. Z kolei tlenowi (liczba atomowa 8) brakuje 2 elektronów do zapełnienia zewnętrznej powłoki. Z tego powodu tlen współdzieli elektron z 2 atomami wodoru, które uzupełniają zewnętrzne powłoki wszystkich trzech członków tego związku, tworząc H₂O, czyli wodę (indeks dolny 2 w chemicznym wzorze tego związku wskazuje, że obejmuje on dwa atomy wodoru).

Ponieważ jednak liczba protonów w jądrze tlenu jest większa niż w przypadku wodoru, to współdzielone elektrony spędzają więcej czasu wokół tego jądra niż wokół jądra wodoru. Ta nierównowaga powoduje powstanie niewielkiego ładunku ujemnego po stronie tlenu i niewielkiego ładunku dodatniego po stronie wodoru. Na skutek polaryzacji ładunku cząsteczki wody przyciągają się nawzajem. W efekcie woda stanowi jednolitą substancję. Ten rodzaj wiązania jest najsłabszym z trzech wiązań chemicznych. Jest to również rodzaj wiązania, które łączy w chromosomach dwie nici DNA (kodu genetycznego), czyli instrukcję, która wskazuje organizmowi jak być tym, czym być powinien.

WIĄZANIE KOWALENCYJNE

Najsilniejszym z wiązań chemicznych jest wiązanie kowalencyjne, czyli przypadek, gdy cząsteczka lub związek dzielą elektrony po równo. Tego rodzaju wiązania sprawnie tworzy węgiel – podstawowy budulec cząsteczek organicznych – ponieważ jego liczba atomowa wynosi 6, co oznacza, że potrzebuje czterech elektronów do zapełnienia swojej powłoki walencyjnej. Z tego powodu węgiel może tworzyć cztery pojedyncze wiązania kowalencyjne z innymi atomami.

JAKI JEST PRZYKŁAD ZWIĄZKU Z WIĄZANIEM KOWALENCYJNYM?

Doskonałym przykładem jest tu podstawowa struktura aminokwasu. Aminokwasy to związki organiczne, które łączą się w białka (niezbędne do budowy tkanek, narządów, włosów, skóry – co by to nie było, potrzebuje dla swego powstania aminokwasu). Węgiel jest centralnym atomem w aminokwasie, do którego przyłączają się cztery elementy, wykorzystując jedno z dostępnych wiązań: grupa węglowa, grupa azotowa (zwana grupą aminową), pojedynczy atom wodoru i grupa, której struktura zależy od danego aminokwasu. Ta zmienna grupa poboczna (czasami zwana łańcuchem bocznym) nazywana jest grupą R.

PH: JONY, KWASY I ZASADY

Pomiar pH wskazuje nam, czy dana substancja jest kwasem, czy zasadą. Kwas ma niskie pH i uwalnia jony wodorowe (w pewnych okolicznościach), a zasada ma wysokie pH i uwalnia jony wodorotlenowe (również w pewnych okolicznościach). Przykładem kwasu jest ocet. Przykładem zasady jest soda oczyszczona. Kwasy i zasady reagują w przypadku połączenia. Jeśli zmieszamy ze sobą ocet i sodę oczyszczoną, to doprowadzimy do powstania gazu (co rozpoznamy po bąbelkach i syczeniu).

pH mieszaniny jest zasadniczo miarą zawartości jonów wodorowych. Jeśli substancja ma cząsteczki lub związki, które dają dużą liczbę H⁺, to w oparciu o logarytm matematyczny będzie mieć niższą wartość pH i będzie uważana za kwas lub roztwór kwaśny (pH < 7,0). Z kolei przy niższych stężeniach H⁺, pH będzie wyższe niż 7, a substancję uznamy za zasadową (możemy ją też nazwać roztworem zasadowym lub alkalicznym). Standard ten ustala się na poziomie międzynarodowym przy użyciu znanych materiałów, takich jak czysta woda (pH 7,0).

Większość żywych organizmów może przetrwać tylko w ściśle określonych zakresach pH. Zmiana zakresu pH wywołuje reakcję i zmienia (lub zabija!) dany organizm. Komórki potrafią zmieniać pH w procesie metabolizmu (jak na przykład komórki mięśniowe, które wytwarzają podczas intensywnych ćwiczeń kwas mlekowy).

LEKKO ZASADOWE PŁYNY USTROJOWE

pH osocza i płynów ustrojowych wynosi około 7,3–7,4. Znajduje się więc po zasadowej stronie neutralnej granicy (7,0). Nazywany jest on odczynem neutralnym. Organizm będzie starał się utrzymać ten poziom pH z wykorzystaniem różnych procesów komórkowych.

Zapraszamy do zakupu pełnej wersji książki