A fisiologia do corpo humano apresenta enorme complexidade no que diz respeito às estruturas que o compõem e uma grande diversidade de funções químicas e físicas.
Todos os sistemas e órgãos do corpo humano se inter-relacionam e funcionam com a máxima harmonia em um organismo são. Por conseguinte, o estudo dos mecanismos funcionais dos seres vivos é imprescindível para as ciências médicas e biológicas.
Afinal, o que é fisiologia
Fisiologia é a ciência que estuda as funções do organismo vivo e de suas partes. Tem por objetivo o conhecimento dos meios físicos, químicos e físico-químicos pelos quais os organismos realizam os vários processos necessários à vida.
Seu campo é vasto, pois compreende desde os seres unicelulares (bactérias, protozoários, algas) até os organismos multicelulares (animais e plantas) mais desenvolvidos e complexos.
O interesse dos fisiologistas abrange as funções do organismo como um todo e também as funções específicas dos órgãos, das células e de suas partes (membrana celular, citoplasma, núcleo, mitocôndrias, nucléolo).
Devido à multiplicidade e complexidade dos assuntos surgiram especializações dentro da fisiologia. Além disso, em outras áreas das ciências biológicas (embriologia, anatomia, patologia) há implicações fisiológicas importantes, a que os especialistas têm dedicado muitas pesquisas.
A fisiologia estuda a características dos seres vivos
Quando um observador se detém no exame dos seres vivos, o que mais impressiona é sua diversidade de forma e funções. Mesmo entre os animais é grande a diversidade estrutural e fisiológica. Entretanto, em linhas gerais e de conjunto, observa-se que também as semelhanças entre os seres vivos são inúmeras.
Todos vivem num ambiente do qual diferem em sua composição química e com o qual são obrigados a manter troca de material para conservarem a estrutura, a composição e o processamento normal de suas funções vitais.
Todos também metabolizam, isto é, queimam ou degradam materiais para a obtenção da energia necessária ao crescimento, às atividades e ao reparo dos desgastes orgânicos. Além disso, todos se reproduzem, coordenam as atividades de suas várias partes e tratam de ajustar-se à natureza e às variações do ambiente.
Os organismos vivos são formados em parte de compostos químicos (proteínas, ácidos nucléicos) que não existem normalmente no ambiente que os cerca. Constituem-se de uma célula ou de grupos de células, cada uma das quais circundada por uma membrana celular.
Dentro da célula, o protoplasma tem em geral composição muito diferente da do meio circundante. A existência de estruturas organizadas e as diferenças de composição química entre o organismo e o ambiente representam o trabalho que esse organismo realiza.
O ser vivo é, portanto, descontínuo – ou não-homogêneo – com relação ao meio em que se encontra. Essa não-homogeneidade com o ambiente não basta para distinguir os seres vivos dos inanimados, pois um pedaço de madeira, uma pedra ou uma máquina complexa têm o mesmo atributo. Entretanto, esses corpos inanimados existem permanentemente com uma dada porção de material.
Os seres vivos, contudo, mantêm sua estrutura apesar das alterações na identidade das moléculas de que são constituídos, o que exige um controle sobre o que absorvem ou expelem (trocas com o ambiente).
As membranas que cobrem as células, as mucosas de certos órgãos – como intestinos, pulmões, rins – e, às vezes, as camadas externas dos organismos multicelulares são semipermeáveis, isto é, permitem que algumas substâncias as atravessem com dificuldade relativamente pequena, e barram a passagem de outras constituídas de moléculas grandes.
Essas membranas semipermeáveis controlam qualitativamente o tipo de substância que as atravessa. Se esse fosse o único meio de controle, as substâncias que atravessassem a membrana tenderiam para concentrações iguais dentro e fora da célula.
Somente o consumo e a produção contínuos de material podem manter a diferença de concentração. Entretanto, além desse carreamento passivo de substâncias, há um mecanismo ativo de transporte que consegue fazer passar elementos de um meio de concentração mais baixa para outro, de concentração mais elevada.
O homem e a maioria dos organismos multicelulares têm dois ambientes: um externo e outro interno. O ar e a água, que os circundam como um todo e penetram em seus corpos, constituem o ambiente externo com o qual se processarão as trocas.
As células do corpo estão distantes desse ambiente. Elas são circundadas pelo sangue e pelos líquidos orgânicos, que constituem o ambiente com o qual promovem suas trocas. O ambiente externo dessas células é o ambiente interno do corpo.
No homem, os principais órgãos em que ocorrem as trocas com o meio ambiente são os pulmões, os intestinos e os rins.
A pele também participa, em certo grau, dessas trocas. Os pulmões, os intestinos e os rins têm duas características em comum: (1) possuem superfície muito grande; (2) suas superfícies estão em contato íntimo com os ramos mais finos dos vasos sanguíneos (capilares).
A magnitude da superfície dos pulmões e dos rins é proporcionada pelas sucessivas ramificações de um sistema tubular.
No caso do intestino, a extensão da superfície se liga à particularidade de sua parede ser forrada por inúmeras protrusões finas, digitiformes (vilosidades), que lhe dão o aspecto aveludado.
O intestino delgado oferece uma área de cerca de dez metros quadrados, mais de cinco vezes a superfície externa do corpo; os pulmões, 55m2 de superfície respiratória; os rins, seis metros quadrados.
Da mesma maneira, outros organismos oferecem grandes superfícies para o intercâmbio com o ambiente. As guelras dos peixes e de outros organismos aquáticos, as folhas e raízes das plantas são alguns exemplos. Vê-se, pois, que os organismos vivos estão apenas semi-
isolados do ambiente, e mantêm sua estrutura e composição a despeito da necessidade de realizar contínuas trocas com ele.
Atividade metabólica
O acúmulo e a excreção de material, a ação de transportar alimentos e produtos de desassimilação, assim como as funções relacionadas aos movimentos, ao crescimento, à criação de potenciais elétricos, à reprodução etc., exigem que o organismo despenda energia.
Os seres vivos obtêm essa energia dos alimentos, os quais também fornecem substrato para o crescimento e reparo dos tecidos.
Os animais conseguem energia através da oxidação dos alimentos (carboidratos, proteínas e gorduras) ou por desdobramento de moléculas de determinados compostos em outras moléculas menores – a glicose, por exemplo, pode ser desdobrada em ácido láctico.
Esse processo de destruição, de que resulta a energia, denomina-se catabolismo. A construção de moléculas maiores a partir de moléculas menores exige o emprego de energia e chama-se anabolismo.
É pelo anabolismo que se fazem as sínteses orgânicas e se dá o crescimento do organismo. O metabolismo é a soma total dos processos anabólicos e catabólicos.
As bactérias chamadas autotróficas retiram energia, para crescimento, da oxidação de materiais inorgânicos simples como hidrogênio, enxofre, ferro etc.
Os seres vivos que não são autotróficos aproveitam-se da matéria orgânica já sintetizada. As plantas verdes, pelo processo da fotossíntese, conseguem energia suficiente para a realização de suas atividades metabólicas essenciais.
Com exceção das plantas verdes, que à luz do dia consomem gás carbônico e fornecem oxigênio, os organismos realizam uma ou mais das seguintes vias metabólicas:
- consumo de oxigênio;
- produção de gás carbônico e outros produtos de oxidação;
- produção de calor;
- consumo de material alimentício;
- produção de substâncias intermediárias por fragmentação ou desdobramento incompleto dos alimentos.
Mesmo as plantas verdes que vivem no escuro também seguem essa linha de atividade metabólica.
Quando há excesso de alimento, que realmente ultrapasse as necessidades orgânicas de manutenção e atividade, ocorre, além do crescimento, a deposição de gordura.
Os fisiologistas dispõem de meios físicos e químicos para medir essas alterações, e assim podem avaliar a intensidade do metabolismo.
Sabe-se que uma dada quantidade de alimento queimada no corpo produz a mesma quantidade de calor que geraria se queimada fora do organismo.
Um pão queimado por um químico, que mede o resultado em calorímetro, produz tantas calorias como se tivesse sido ingerido e queimado pelo organismo. Em ambos os casos, o consumo de oxigênio e a produção de gás carbônico são os mesmos.
Os seres vivos sintetizam moléculas grandes e de enorme complexidade a partir do material mais simples. Nesse particular, eles se opõem à tendência geral a converterem compostos e reações complexas em compostos e reações mais simples, ou de converter condições de elevado teor energético em outras de teor mais baixo.
Enquanto se processam essas sínteses consumidoras de energia, outros compostos estão-se desdobrando e fornecendo a energia necessária para novas reações metabólicas.
O estudo minucioso das reações químicas implicadas no metabolismo pertence ao campo da bioquímica. Felizmente, parece que não apenas os tecidos mais diversos, mas também virtualmente todos os organismos investigados até agora usam vias metabólicas muito semelhantes.
Exemplificando, a cadeia de reações pelas quais uma levedura desdobra a glicose em duas moléculas de álcool etílico é, salvo em suas fases finais, a mesma utilizada por uma célula muscular ao preparar fragmentos de glicose para oxidação.
Há células capazes de realizar processos reativos especiais, tais como produção de hormônios, de enzimas e de toxinas, mas isso constitui apenas uma pequena fração de sua atividade metabólica total.
Enquanto os bioquímicos estudam as reações químicas intermediárias do anabolismo e catabolismo, freqüentemente isolando sistemas enzimáticos envolvidos em determinada linha de reação química, os fisiologistas se dedicam às manifestações mais grosseiras do metabolismo, tais como o volume de oxigênio total consumido por um organismo, sua produção de gás carbônico, a quantidade de energia liberada, o teor de nitrogênio por ele excretado, a perda ou ganho relativo de peso, e assim por diante.
Os fisiologistas também investigam o efeito das diversas atividades (dormir, pensar, andar, sentar, trabalhar etc.) sobre o metabolismo, e se interessam pelos distúrbios metabólicos causados por doenças e disfunções das glândulas endócrinas.
Coordenação interna do organismo
Um ser vivo composto de muitas partes fisicamente diversas umas das outras não sobreviverá longo tempo se as atividades dessas partes não atuarem de maneira coordenada.
São três os meios pelos quais os organismos realizam a coordenação de suas partes:
- o aparelho circulatório, que permite a chegada dos elementos nutritivos às células e a saída dos produtos do metabolismo do local em que elas se encontram;
- o sistema endócrino, que envia mensageiros químicos (hormônios), via circulação, a praticamente todas as partes do corpo;
- o sistema nervoso, que transmite mensagens elétricas e químicas de uma parte para outra em todo o organismo.
Nos microrganismos e nas células, individualmente, há uma espécie de movimento interno no citoplasma, uma corrente cíclica que funciona como um sistema primitivo de transporte.
Nos organismos mais complexos, o aparelho circulatório consta de um órgão muscular, o coração, que funciona como uma bomba e lança o líquido através de um sistema de tubos, os vasos, que terminam nas proximidades das células.
Nas plantas, os feixes vasculares conduzem o material nutritivo entre as raízes, folhas e outros tecidos. Tanto nos animais quanto nas plantas, os tubos do sistema circulatório se acham separados das células do corpo pelo líquido dos tecidos ou líquido intersticial.
Os elementos nutritivos se movimentam, por difusão, através da membrana celular, ora entrando na célula, ora saindo dela para o espaço extracelular. O líquido tecidual representa o meio interno, isto é, o ambiente das células do corpo.
Os vasos do sistema cardiovascular conduzem material de uma região orgânica a outra, para que seja logo utilizado, armazenado ou eliminado. Assim, o oxigênio pode ser captado nos pulmões ou, conforme o animal, nas guelras ou na pele.
O alimento é absorvido no intestino após sua digestão, ou aproveitado dos depósitos hepáticos (carboidratos, por exemplo) ou cutâneos (gorduras) e distribuídos aos tecidos mais distantes do corpo. Os subprodutos do metabolismo são captados no nível dos tecidos e liberados nos pulmões (dióxido de carbono) ou nos rins (ureia e outros produtos) para que sejam eliminados.
A temperatura total do corpo é equilibrada e controlada pelo aquecimento do sangue em tecidos que metabolizam rapidamente, bem como por seu resfriamento em tecidos que metabolizam menos, e também na superfície do corpo.
Além de transportar alimentos e subprodutos metabólicos, o aparelho circulatório conduz mensageiros químicos, os hormônios, por todo o organismo. Os hormônios são fabricados nas glândulas endócrinas ou de secreção interna.
Os hormônios atuam sobre tecidos e órgãos distantes, excitando-os ou deprimindo-os. Esse efeito estimulante ou depressor depende da natureza do hormônio e do tecido receptor. Um só hormônio é capaz de produzir efeitos ou reações inteiramente opostos em duas regiões diferentes.
A adrenalina, por exemplo, causa constrição dos vasos sanguíneos da pele e das vísceras, mas provoca dilatação dos vasos dos músculos. Como a adrenalina é segregada em maior quantidade nos momentos de estresse, dessa atuação antagônica resulta que o sangue se desloca temporariamente de regiões onde não é necessário para outras que precisam de maior suprimento sanguíneo.
Os hormônios são usados para a comunicação no organismo quando, em termos de fração de segundo, o tempo não assume grande importância. Quando uma reação precisa ser muito rápida (milésimos de segundo), entram em ação as vias do sistema nervoso. Os hormônios exercem uma ação reguladora da atividade tecidual: uns estimulam e outros inibem.
No homem e em outros vertebrados, a coordenação interna se faz pelo sistema neurovegetativo ou sistema nervoso autônomo, assim denominado porque não está sob o controle da vontade.
Todavia, as emoções podem influir no sistema nervoso autônomo, produzindo dilatação ou constrição dos vasos sanguíneos, acelerando ou retardando os batimentos do coração, estimulando a secreção dos hormônios etc.
O sistema nervoso autônomo se liga a muitos órgãos por meio de fibras nervosas. Parte dessas fibras conduz impulsos estimulantes; outra parte, impulsos inibidores. Por meio de ações antagônicas é possível exercer um controle preciso de múltiplas funções orgânicas.
Um dos objetivos da coordenação interna é a manutenção da homeostase, termo que indica equilíbrio e constância nas condições orgânicas. Os mecanismos pelos quais se logra essa constância são chamados homeostáticos.
Há condições orgânicas tão constantes que pequenos desvios do normal facilmente se exteriorizam e podem assim permitir a identificação de doenças. A temperatura corporal, a glicose sanguínea, as concentrações de eletrólitos, o número de glóbulos brancos e vermelhos, a taxa de ureia e creatinina no plasma etc. são alguns fenômenos constantes, que variam dentro de limites estreitos.
Coordenação do organismo em relação ao ambiente
Além da coordenação interna, o organismo procura ajustar suas atividades também de acordo com a natureza e as alterações que se processam no ambiente externo. Essa coordenação depende da capacidade do organismo para sentir a natureza do ambiente e suas alterações.
Em organismos inferiores, menos diferenciados, essa capacidade parece ser uma propriedade da célula mesma, embora neles possam existir pontos bem localizados, particularmente sensíveis a determinados estímulos. Alguns protozoários, por exemplo, possuem vários pontos sensíveis à luz.
Os organismos mais diferenciados têm certas células, ou determinados grupos de células, profundamente sensíveis a uma ou outra espécie de estímulo: o olho para a luz, o ouvido para o som, a mucosa olfativa para os odores etc.
São chamados órgãos de sentido, que, auxiliados pelo sistema nervoso, promovem a coordenação das atividades orgânicas em relação ao ambiente externo.
As influências do ambiente, que representam estímulos ao organismo, são as seguintes: luz, vibrações mecânicas, temperatura, pressão e composição química do ambiente. Os órgãos sensíveis a tais fatores ambientais situam-se na superfície do corpo ou perto dela.
Nos animais altamente diferenciados e desenvolvidos, muitos desses órgãos se localizam na cabeça, e suas conexões nervosas vão diretamente ao cérebro. É o que se dá em relação aos órgãos da visão, audição, olfato e paladar. Os órgãos sensíveis ao tato, calor, frio e pressão se acham difusamente distribuídos por toda a superfície corporal.
Os órgãos dos sentidos se comunicam com o sistema nervoso central por meio de fibras sensoriais ou aferentes. Do sistema nervoso central partem as fibras motoras ou eferentes, que conduzem impulsos para os órgãos denominados efetores, como os músculos, que respondem por contração, e as glândulas, por secreção, entre outros.
O que acontece no sistema nervoso central entre o momento da chegada do impulso sensorial e a saída do impulso motor pode ser razoavelmente simples ou de extrema complexidade.
Quando o processo envolve apenas a medula, e não o cérebro, os impulsos fazem um arco reflexo, em que o receptor envia o estímulo ao neurônio sensitivo, que o envia ao neurônio motor, que o envia ao efetor. Em geral, um ou mais neurônios se interpõem entre os neurônios sensitivos e os neurônios motores.
Certas reações rápidas e automáticas – como a retirada súbita da mão que toca uma chapa quente ou a ponta de uma agulha – se fazem à base desses arcos reflexos, pois não há tempo de pensar, nem o pensamento, no caso, é necessário.
Além desses reflexos simples, ocorrem no organismo outros reflexos de complexidade crescente, pois a transmissão dos impulsos através da medula e sua integração pelo encéfalo envolvem grande número de neurônios.
Um fenômeno oposto à homeostase é a adaptação, que abrange todas as alterações de posição, estrutura e atividade adotadas pelo organismo com o fim de sobreviver. Certos animais se defendem no inverno com um crescimento maior de pelos, que no verão escasseiam. Nas mesmas circunstâncias, o homem come mais e se torna mais ativo, para produzir mais calor.
Existem animais que hibernam, alterando todo o padrão de seu metabolismo. As adaptações ocorrem não apenas em relação ao ambiente externo, mas também às mudanças e desequilíbrios operados dentro do próprio organismo.
Por exemplo, quando o organismo perde um rim, o outro rim aumenta de tamanho e trabalha em dobro. Quando há sobrecarga circulatória, o coração se hipertrofia, numa tentativa de vencê-la. As adaptações visam, em última análise, à manutenção da homeostase e ao bem-estar do organismo.
História da Fisiologia
A fisiologia é uma disciplina recente no campo das ciências biológicas. Suas origens são conhecidas, em parte, como conseqüência de informações deixadas por antigas civilizações, as quais, ainda que influenciadas pela superstição dos pesquisadores dos séculos passados, estudaram alguns fenômenos.
Modelos em argila de vários órgãos foram deixados pela civilização babilônica, e o embalsamamento dos cadáveres, realizado no antigo Egito, forneceu dados sobre a anatomia humana.
As primeiras hipóteses fisiológicas foram elaboradas pelos gregos. Hipócrates afirmava que o coração era o órgão que proporcionava calor para o organismo.
Também Aristóteles realizou importantes descrições e estudos fisiológicos de cerca de 500 espécies animais, centrados basicamente na anatomia.
No século II da era cristã, o médico grego Galeno, considerado o fundador da fisiologia experimental, apresentou teorias sobre a diferenciação entre circulação venosa e arterial, sobre a respiração e o funcionamento do aparelho locomotor.
As doutrinas galênicas, embora incontestadas durante mais de um milênio, apresentavam muitas imperfeições em seus fundamentos. Galeno assegurava, por exemplo, que a circulação sanguínea entre os ventrículos cardíacos ocorria por meio de minúsculos poros do septo intraventricular. Mesmo assim, suas
hipóteses serviram de fundamento, nos séculos XVI e XVII, para os trabalhos de Andreas Vesalius, em anatomia, e de William Harvey, em fisiologia.
No Renascimento, Paracelso (Philipps Aureolus Teophrastus Bombastus von Hohenheim) tentou estudar as funções do corpo com um critério semelhante ao moderno.
Muitos de seus experimentos o levaram a algumas conclusões sobre o funcionamento de sistemas do organismo. Afirmava, por exemplo, haver relação entre as lesões cerebrais, a paralisia e o cretinismo. Entretanto, sua metodologia aleatória e desordenada impediu-lhe obter resultados plenamente satisfatórios.
Uma das grandes figuras no desenvolvimento do pensamento científico em geral, e da fisiologia em particular, foi o britânico William Harvey, que em 1628 publicou um breve volume, de apenas 72 páginas, que foi um marco na evolução dos estudos fisiológicos.
Em Exercitatio anatomica de motu cordis et sanguinis in animalibus (Exercícios anatômicos sobre o movimento do coração e do sangue nos animais), Harvey demonstrou que o fluxo de sangue no corpo é um movimento circulatório no qual as artérias, veias e capilares formam as vias de condução.
Não existia ainda o microscópio, mas Harvey imaginou a existência de vasos mais delgados, os capilares, confirmada em 1661 pelo italiano Marcello Malpighi.
Seguiram-se os descobrimentos de Albrecht von Haller, pesquisador suíço que no século XVIII descreveu o mecanismo da respiração e introduziu o conceito de irritabilidade dos tecidos; do italiano Luigi Galvani, que estudou a natureza elétrica dos impulsos nervosos; e do alemão Hermann Helmholtz, que, já no século XIX, realizou importantes trabalhos sobre a percepção sensorial.
Um dos principais fisiologistas do século XIX foi o francês Claude Bernard. Sua dedicação à pesquisa experimental levou-o a numerosos descobrimentos sobre os fenômenos físicos e químicos dos seres vivos.
Entre suas mais destacadas contribuições estão o conceito de secreção interna, o descobrimento da função do suco pancreático, o mecanismo da intoxicação por monóxido de carbono nas células vivas e, em especial, o estabelecimento do conceito essencial de homeostase ou tendência do meio interno do organismo à estabilidade.
Dada a importância dos estudos de fisiologia, o Prêmio Nobel de medicina é também de fisiologia. O russo Ivan Pavlov foi um dos primeiros a recebê-lo, em 1904, por seu estudo sobre as respostas digestivas dos animais, que levou ao descobrimento do princípio dos reflexos condicionados.
Também obtiveram o prêmio em 1906 o espanhol Santiago Ramón y Cajal e o italiano Camillo Golgi, que estudaram os detalhes estruturais das células nervosas.
Igual reconhecimento receberam, em 1923, o canadense Frederick G. Banting e o escocês John James R. Macleod por terem isolado a insulina e descoberto sua aplicação no tratamento do diabetes.
O prêmio da Academia Sueca foi concedido a outros destacados fisiólogos, cujo trabalho ilustra o desenvolvimento desta ciência. Karl Landsteiner (1930), austríaco naturalizado americano, criou uma nomenclatura para tipificar o sangue humano em quatro grupos (tipos sanguíneos A, B, AB e O); o belga Corneille Heymans (1938) demonstrou que a freqüência respiratória é regulada em função da composição química do sangue; e o americano Earl Sutherland (1971) é autor de estudos sobre as funções hormonais.
Da mesma forma que o advento do microscópio foi, no passado, fundamental para o desenvolvimento da pesquisa fisiológica, os descobrimentos modernos no campo da observação (microscópios eletrônicos) e da análise (espectroscopias, cromatografias etc.) permitiram alcançar níveis de especificidade como o subcelular e o genético molecular, nos quais a fisiologia se encontra com a bioquímica e outros ramos avançados do conhecimento biológico.
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