מתכונת 4 בביולוגיה - מבוא לביולוגיה 043182

לפי הטבלה, בחדר החם קצב זרימת הדם לעור גדל מאוד לעומת החדר הקריר:

•בחדר הקריר: $400$ מ"ל לדקה.

•בחדר החם: $2800$ מ"ל לדקה.

•העלייה: $2800-400=2400$ מ"ל לדקה, כלומר הקצב בחדר החם גדול פי $7$ ($2800\div400=7$).

לעומת זאת, קצב זרימת הדם לשרירי השלד לא השתנה – $1000$ מ"ל לדקה בשני המצבים (דנה הייתה במנוחה בשניהם).

החום בגוף: חום נוצר בגוף כל הזמן בתהליך הנשימה התאית, והדם מוביל אותו מן האיברים לכל הגוף. טמפרטורת הגוף צריכה להישאר קרובה ל־$37^\circ\text{C}$, כי האנזימים, המזרזים את התהליכים בתאים, פועלים היטב רק בתחום טמפרטורות צר.

בחדר החם: כלי הדם המובילים לעור מתרחבים, ודם רב (פי 7 מבחדר הקריר) זורם קרוב לפני העור. מן הדם החם עובר חום אל העור, ומן העור אל הסביבה. זרימת הדם לעור מספקת גם חום ומים לבלוטות הזיעה, ואידוי הזיעה מקרר את העור. כך הגוף מאבד יותר חום, וטמפרטורת הגוף אינה עולה.

בחדר הקריר: כלי הדם המובילים לעור מצטמצמים, ומעט דם מגיע אל פני העור. כך הגוף מאבד פחות חום לסביבה הקרה, והחום נשמר באיברים הפנימיים – וטמפרטורת הגוף אינה יורדת.

היתרון: בעזרת הוויסות הגוף מתאים את איבוד החום לתנאי הסביבה, ושומר על טמפרטורת גוף יציבה (הומאוסטזיס) – כך התהליכים בתאים מתקיימים כראוי בכל טמפרטורת סביבה.

שרשרת הסיבה והתוצאה:

1. שטח הפנים קטן: חילוף הגזים בריאות מתרחש בדיפוזיה דרך דפנות הנאדיות. מאות מיליוני נאדיות קטנות יוצרות שטח פנים עצום. כשהדפנות שביניהן נהרסות ונוצרים שקים גדולים ומעטים, שטח הפנים הכולל קטן מאוד (ועם הדפנות נהרסים גם חלק מן הנימים העוטפים אותן).

2. פחות חמצן עובר לדם: כמות הגז העוברת בדיפוזיה ביחידת זמן תלויה בשטח הפנים. לכן בכל נשימה עובר מן הנאדיות אל הדם פחות חמצן, וגם סילוק ה־$\text{CO}_2$ מן הדם נפגע.

3. פחות חמצן לשרירים: הדם מוביל פחות חמצן אל תאי השרירים.

4. פחות $\text{ATP}$: תאי השריר מפיקים $\text{ATP}$ בנשימה התאית האווירנית, הדורשת חמצן. כשיש פחות חמצן נוצר פחות $\text{ATP}$, וחלק מן האנרגיה מופק בתסיסה לקטית – מעט $\text{ATP}$ והצטברות חומצה לקטית.

5. במאמץ: גם מאמץ קל, כמו עלייה במדרגות, מגביר את צריכת החמצן של השרירים. במנוחה החמצן שעובר לדם אולי מספיק, אבל במאמץ – לא. לכן השרירים מתעייפים מהר.

6. ההתנשמות: ה־$\text{CO}_2$ מצטבר בדם, ומרכז הנשימה מגביר את קצב הנשימה ואת עומקה, בניסיון להכניס יותר חמצן ולהוציא $\text{CO}_2$. כך האדם מתנשם בכבדות – אבל שטח הפנים הקטן מגביל את התועלת.

איבר: שריר הלב (תשובה מתקבלת נוספת: המוח).

היתרון הביולוגי: תאי שריר הלב פועלים ללא הפסקה, ולכן הם צורכים כל הזמן חמצן וגלוקוז לנשימה תאית אווירנית, שבה נוצר ה־ATP הדרוש להתכווצות. לתאים אלה אין מאגר של חמצן, ולכן הפסקה קצרה באספקת הדם גורמת לפגיעה בהם. כשכמות הדם בגוף קטנה, הגוף "מקצה" את הדם שנשאר לאיברים שתפקודם חיוני להישרדות מיידית: אם הלב יפסיק לשאוב, הדם לא יגיע לשום איבר. איברים אחרים (העור, מערכת העיכול) יכולים לעמוד זמן מה בזרימת דם מופחתת בלי נזק מיידי.

בעקבות איבוד הדם כלי הדם המובילים דם אל העור מתכווצים, וזרימת הדם אל העור קטנה מאוד.

- חיוורון: צבעו הוורוד של העור נובע מן הדם האדום הזורם בנימים שבו. כשזורם מעט דם, העור נראה חיוור.

- קור: הדם מוביל חום מן האיברים הפנימיים אל העור. כשמעט דם מגיע אל העור, הוא מקבל פחות חום, וטמפרטורת העור יורדת – הוא קר למגע.

התגובה הזאת מועילה: הדם שנחסך בעור מופנה אל האיברים החיוניים (הלב, המוח).

הדם מגיע אל הכליה בעורק הכליה. בכליה השתנן מסונן מן הדם ונשאר בשתן שנוצר בה. השתן יורד מן הכליה בשופכן אל שלפוחית השתן, שם הוא נאגר, ויוצא מן הגוף דרך השופכה:

1. סינון: מים ומולקולות קטנות – שתנן, גלוקוז, מלחים – עוברים מן הדם אל צינוריות הכליה. מולקולות גדולות (חלבונים) ותאי הדם נשארים בדם.

2. ספיגה חוזרת: חומרים שהגוף זקוק להם – רוב המים, כל הגלוקוז וחלק מן המלחים – חוזרים מן הצינוריות אל הדם.

מה שנשאר בצינוריות – בעיקר שתנן, חלק מן המים ומלחים עודפים – הוא השתן.

השתנן: ריכוז השתנן בדם בווריד הכליה (היוצא) נמוך מריכוזו בעורק הכליה (הנכנס). בכליה השתנן מסונן מן הדם, ורק חלק ממנו חוזר לדם; השאר יוצא בשתן. כלומר הכליה מנקה את הדם מן השתנן.

חומר שתאי הכליה צורכים: חמצן (או גלוקוז). תאי הכליה עובדים קשה – הם מחזירים לדם חומרים רבים, ובחלקם בהעברה פעילה, הדורשת ATP. ה־ATP מופק בנשימה התאית, שצורכת חמצן וגלוקוז, ולכן ריכוזם בדם היוצא מן הכליה נמוך יותר (וריכוז ה־CO₂ בו גבוה יותר).

- מבנים שבהם עובר אוויר: 1 – קנה הנשימה, 2 – הסימפונות והסימפונונים, 3 – נאדיות הריאה.

- כלי דם: 4 – הנימים העוטפים את הנאדיות, 5 – עורק הריאה, 6 – וריד הריאה.

- חילוף הגזים מתרחש בין האוויר שבנאדיות (3) לבין הדם שבנימים (4): חמצן עובר בדיפוזיה מן האוויר אל הדם, ופחמן דו־חמצני – מן הדם אל האוויר. בקנה הנשימה ובסימפונות אין חילוף גזים; הם רק מובילים את האוויר.

- כלי 5 (עורק הריאה) – דם עני בחמצן: הוא מוביל אל הריאות את הדם שחזר מאיברי הגוף, שבהם מסר את החמצן לתאים.

- כלי 6 (וריד הריאה) – דם עשיר בחמצן: בנימי הריאות (4) הדם קלט חמצן מן הנאדיות, וכלי 6 מוביל אותו אל העלייה השמאלית, ומשם הוא יישאב לכל הגוף.

- קנה הנשימה (1): תפקידו להוביל אוויר אל הריאות ומהן. בדופנו טבעות סחוס קשיחות, השומרות על הצינור פתוח – הוא אינו נמעך כשהלחץ בבית החזה משתנה, והאוויר עובר בו כל הזמן. (התאמה מתקבלת נוספת: בדופן יש תאים המפרישים ריר הלוכד אבק וחיידקים, ותאים בעלי ריסים המסלקים אותו.)

- הנאדיות (3): תפקידן חילוף גזים. הדופן שלהן דקה מאוד (שכבת תאים אחת), ולכן המרחק שהגזים עוברים בדיפוזיה קצר. בנוסף, יש מספר עצום של נאדיות, ולכן שטח הפנים לחילוף הגזים גדול מאוד – וקצב המעבר גבוה.

- הנימים (4): תפקידם לקלוט את החמצן מן הנאדיות ולמסור להן פחמן דו־חמצני. הדופן שלהם בנויה משכבה אחת של תאים, והם יוצרים רשת צפופה העוטפת כל נאדית – כך המרחק בין האוויר לדם קצר, ושטח המגע גדול.

1. זיהוי: החיידקים המומתים אינם יכולים להתרבות ולגרום למחלה, אבל הם נושאים את האנטיגנים של חיידק S. מערכת החיסון של העכברים זיהתה אותם כגוף זר.

2. תגובה ספציפית: לימפוציטים מתאימים התרבו, ונוצרו נוגדנים ספציפיים לחיידק S ותאי זיכרון. הזריקה השנייה (ביום 14) עוררה תגובה משנית – חזקה יותר – ונוצרו עוד נוגדנים ועוד תאי זיכרון.

3. ההגנה: כשהעכברים נחשפו לחיידקי S חיים, הנוגדנים שבדמם ותאי הזיכרון זיהו אותם מיד, והתגובה המהירה סילקה את החיידקים לפני שהספיקו להתרבות ולגרום לדלקת ריאות – ולכן אף עכבר בקבוצה 1 לא חלה.

1. זיכרון חיסוני: עכברי קבוצה 1 היו מוגנים לא רק ביום ה־30 אלא גם ביום ה־120 – כשלושה חודשים אחרי החיסון – ואף אחד מהם לא חלה. תאי הזיכרון שנוצרו בעקבות הזריקות נשארו בגוף, ובחשיפה לחיידק הפעילו תגובה משנית מהירה.

2. ספציפיות (ייחודיות): עכברים שקיבלו אותו חיסון נגד חיידק S לא היו מוגנים מפני חיידק T – $8$ מתוך $10$ חלו, כמעט כמו עכברי הבקרה שלא קיבלו שום הגנה וחלו מחיידק S ($9$ מתוך $10$). הנוגדנים ותאי הזיכרון מתאימים לאנטיגנים של חיידק S בלבד.

חיסון סביל. עכברי קבוצה 2 קיבלו נסיוב – החלק הנוזלי של הדם – מעכברי קבוצה 1. בנסיוב היו נוגדנים מוכנים נגד חיידק S, שנוצרו בגוף עכברי קבוצה 1. מערכת החיסון של עכברי קבוצה 2 לא נחשפה לאנטיגנים ולא ייצרה את הנוגדנים, ולכן גם לא נוצרו אצלם תאי זיכרון. ההגנה הייתה מיידית (רק עכבר אחד חלה ביום ה־30), אבל קצרה.

טיעון בעד: השאלה אם נוגדנים מגינים מפני מחלה, ולכמה זמן, חשובה לפיתוח חיסונים ולטיפול בחולים – ואי אפשר לבדוק אותה בבני אדם בלי לסכן את חייהם. בסיס ביולוגי: עכברים הם יונקים, ומערכת החיסון שלהם פועלת על פי אותם עקרונות כמו באדם – זיהוי אנטיגנים, ייצור נוגדנים ויצירת תאי זיכרון. רק בגוף שלם אפשר לבדוק את התהליך כולו – חיסון, ייצור נוגדנים בדם, העברתם לבעל חיים אחר והגנה מפני חיידק חי לאורך חודשים – דבר שאי אפשר לבדוק בתאים בתרבית. בנוסף, עכברים מתרבים מהר וגדלים בתנאים אחידים, ולכן אפשר להשוות בין קבוצות גדולות.

טיעון נגד: בניסוי עכברים רבים חלו, ושלושה מתו; בעלי החיים סובלים ואינם יכולים להסכים להשתתף. בנוסף (בסיס ביולוגי), יש הבדלים ביולוגיים בין עכברים לאדם – למשל, חיידק S גורם מחלה בעכברים, ולא בהכרח באדם, ומערכת החיסון של העכבר אינה זהה לזו של האדם – ולכן התוצאות אינן בהכרח תקפות לאדם.

1. העכברים קיבלו נוגדנים מוכנים בנסיוב, יום אחד לפני החשיפה של יום ה־30. הנוגדנים נמצאו בדמם בכמות גדולה, נקשרו לחיידקי S ונטרלו אותם – ולכן רק עכבר אחד מתוך $10$ חלה.

2. נוגדנים הם חלבונים, והם מתפרקים בגוף בהדרגה. מערכת החיסון של עכברי קבוצה 2 לא נחשפה לאנטיגנים ולכן לא ייצרה נוגדנים חדשים במקומם, ולא נוצרו אצלם תאי זיכרון.

3. עד יום ה־120 – כשלושה חודשים אחר כך – רוב הנוגדנים שקיבלו התפרקו, ולא נשאר דבר שיגן עליהם. לכן $8$ מתוך $10$ חלו – כמעט כמו בקבוצת הבקרה ($9$ מתוך $10$).

1. מערכת החיסון של העכברים עצמם נחשפה לאנטיגנים של החיידקים המומתים, ייצרה נוגדנים ויצרה תאי זיכרון.

2. תאי הזיכרון נשארים בגוף זמן רב. גם אם כמות הנוגדנים בדם ירדה עד יום ה־120, תאי הזיכרון זיהו את החיידקים בחשיפה, הפעילו תגובה משנית מהירה וחזקה, ונוצרו במהירות נוגדנים רבים.

3. החיידקים סולקו לפני שגרמו למחלה – ולכן אף עכבר בקבוצה 1 לא חלה, בשני המועדים.

לסיכום: חיסון סביל מגן מיד אך לזמן קצר; חיסון פעיל מגן לאורך זמן, בזכות הזיכרון החיסוני.

1. פחות תאי דם אדומים: הרעלן של חיידק S הורס תאי דם אדומים, ולכן בדם יש פחות המוגלובין – החלבון הקושר את החמצן ומוביל אותו.

2. פחות חמצן לתאים: כל נפח דם נושא פחות חמצן, ולכן תאי הגוף – ובהם תאי השרירים – מקבלים פחות חמצן.

3. פחות $\text{ATP}$: תאי השריר מפיקים $\text{ATP}$ בעיקר בנשימה התאית האווירנית, הדורשת חמצן:

כשיש פחות חמצן, נוצר פחות $\text{ATP}$, וחלק מן הגלוקוז מתפרק בתסיסה לקטית – המפיקה מעט $\text{ATP}$ ויוצרת חומצה לקטית.

4. התוצאה: כיווץ השרירים דורש $\text{ATP}$. בלי די אנרגיה השרירים חלשים ומתעייפים מהר – ולכן העכברים כמעט לא זזו.

•המחסור בחמצן בדם, ובנוסף – הדלקת בריאות, שפוגעת בחילוף הגזים בנאדיות – גורמים לכך שה־$\text{CO}_2$ אינו מסולק כראוי ומצטבר בדם, וריכוז החמצן בדם נמוך.

•מערכת העצבים קולטת את השינויים, ומרכז הנשימה מגביר את קצב הנשימה – בניסיון להכניס יותר חמצן ולסלק את ה־$\text{CO}_2$. (גם קצב הלב עולה, כדי להזרים יותר דם.) אבל כל עוד חסרים תאי דם אדומים, תוספת האוויר אינה מפצה לגמרי.