Biologi för studenter II

Genomföra och kontrastera olika typer av matsmältningssystem

Djur får sin näring genom att äta andra organismer. Beroende på sin kost kan djur klassificeras i följande kategorier: växtätare (herbivorer), köttätare (karnivorer) och de som äter både växter och djur (omnivorer). De näringsämnen och makromolekyler som finns i maten är inte omedelbart tillgängliga för cellerna. Det finns ett antal processer som modifierar maten i djurkroppen för att göra näringsämnena och de organiska molekylerna tillgängliga för cellfunktionen. I takt med att djuren har utvecklats i form och funktion har deras matsmältningssystem också utvecklats för att tillgodose deras olika kostbehov.

Växtätande djur, Köttätare och allätare

Herbivorer är djur vars primära födokälla är växtbaserad. Exempel på växtätare, som visas i figur 1, är ryggradsdjur som hjortar, koalor och vissa fågelarter samt ryggradslösa djur som syrsor och larver. Dessa djur har utvecklat matsmältningssystem som kan hantera stora mängder växtmaterial. Växtätare kan delas in i frugivorer (fruktätare), granivorer (fröätare), nectivorer (nektarätare) och folivorer (bladätare).

Carnivorer är djur som äter andra djur. Ordet köttätare kommer från latin och betyder bokstavligen ”köttätare”. Vilda katter som lejon, som visas i figur 2a, och tigrar är exempel på ryggradslösa köttätare, liksom ormar och hajar, medan ryggradslösa köttätare inkluderar sjöstjärnor, spindlar och nyckelpigor, som visas i figur 2b. Obligatoriska köttätare är sådana som är helt beroende av djurkött för att få sin näring. Exempel på obligatoriska köttätare är medlemmar av kattfamiljen, t.ex. lejon och geparder. Facultativa köttätare är de som utöver animalisk föda även äter icke-djurisk föda. Observera att det inte finns någon tydlig linje som skiljer fakultativa köttätare från allätare; hundar skulle betraktas som fakultativa köttätare.

Omnivorer är djur som äter både vegetabilisk och animalisk föda. På latin betyder allätare att man äter allt. Människor, björnar (se figur 3a) och höns är exempel på vertebrata allätare; ryggradslösa allätare är bland annat kackerlackor och kräftor (se figur 3b).

Invertebrate Digestive Systems

Djur har utvecklat olika typer av matsmältningssystem för att hjälpa till med matsmältningen av de olika födoämnen de äter. Det enklaste exemplet är ett gastrovaskulärt hålrum och återfinns hos organismer med endast en öppning för matsmältningen. Platyhelminthes (plattmaskar), Ctenophora (kammarjurar) och Cnidaria (koraller, geléfiskar och havsanemoner) använder denna typ av matsmältning. Gastrovaskulära håligheter, som visas i figur 4a, är vanligtvis ett blint rör eller hålrum med endast en öppning, ”munnen”, som också fungerar som ”anus”. Intaget material kommer in i munnen och passerar genom ett ihåligt, rörformigt hålrum. Cellerna i håligheten utsöndrar matsmältningsenzymer som bryter ner maten. Matpartiklarna slukas av de celler som kantar det gastrovaskulära hålrummet.

Den alimentära kanalen, som visas i figur 4b, är ett mer avancerat system: den består av ett rör med en mun i ena änden och ett anus i den andra. Daggmaskar är ett exempel på ett djur med en matvägskanal. När maten har tagits in genom munnen passerar den genom matstrupen och lagras i ett organ som kallas crop; därefter passerar den till magsäcken där den skakas och smältas. Från kråset passerar maten genom tarmen, näringsämnena absorberas och avfallet elimineras som avföring, så kallad kastning, genom anus.

Vertebraters matsmältningssystem

Vertebater har utvecklat mer komplexa matsmältningssystem för att anpassa sig till sina kostbehov. Vissa djur har en enda mage, medan andra har en mage med flera kamrar. Fåglar har utvecklat ett matsmältningssystem som är anpassat till att äta osmält mat.

Monogastrisk: Mage med en enda kammare

Som ordet monogastrisk antyder består denna typ av matsmältningssystem av en (”mono”) magkammare (”gastric”). Människor och många djur har ett monogastriskt matsmältningssystem som illustreras i figur 5a och 5b. Matsmältningsprocessen börjar med munnen och intag av mat. Tänderna spelar en viktig roll för att masticera (tugga) eller fysiskt bryta ner maten till mindre partiklar. De enzymer som finns i saliven börjar också att kemiskt bryta ner maten. Ösofagus är ett långt rör som förbinder munnen med magsäcken. Med hjälp av peristaltik, eller vågliknande glatta muskelsammandragningar, trycker musklerna i matstrupen maten mot magsäcken. För att påskynda enzymernas verkan i magsäcken är magsäcken en extremt sur miljö, med ett pH-värde på mellan 1,5 och 2,5. Magsaften, som innehåller enzymer i magsäcken, verkar på matpartiklarna och fortsätter matsmältningsprocessen. Ytterligare nedbrytning av maten sker i tunntarmen där enzymer som produceras av levern, tunntarmen och bukspottkörteln fortsätter matsmältningsprocessen. Näringsämnena tas upp i blodet genom de epitelceller som kantar tunntarmens väggar. Avfallsmaterialet färdas vidare till tjocktarmen där vatten absorberas och det torrare avfallsmaterialet komprimeras till avföring; det lagras tills det utsöndras genom ändtarmen.

Fåglar

Fåglar står inför särskilda utmaningar när det gäller att få näring från födan. De har inga tänder och därför måste deras matsmältningssystem, som visas i figur 6, kunna bearbeta osmält mat. Fåglar har utvecklat en mängd olika näbbtyper som återspeglar den stora variationen i deras diet, som sträcker sig från frön och insekter till frukter och nötter. Eftersom de flesta fåglar flyger är deras ämnesomsättning hög för att effektivt bearbeta maten och hålla sin kroppsvikt låg. Fåglarnas mage har två kamrar: proventriculus, där magsaften produceras för att smälta maten innan den kommer in i magsäcken, och gizzard, där maten lagras, blötläggs och mals mekaniskt. Det osmälta materialet bildar matpellets som ibland kräks upp. Det mesta av den kemiska matsmältningen och absorptionen sker i tarmen och avfallet utsöndras genom kloaken.

I fåglarnas matsmältningssystem passerar maten från crop till den första av två magar, kallad proventriculus, som innehåller matsmältningssaft som bryter ner maten. Från proventriculus går maten in i den andra magsäcken, kallad gizzard, som maler maten. Vissa fåglar sväljer stenar eller grus, som lagras i magsäcken, för att underlätta malningsprocessen. Fåglar har inga separata öppningar för att utsöndra urin och avföring. I stället utsöndras urinsyra från njurarna till tjocktarmen och kombineras med avfall från matsmältningsprocessen. Detta avfall utsöndras genom en öppning som kallas cloaca.

Ruminanter

Ruminanter är huvudsakligen växtätare som kor, får och getter, vars hela kost består av att äta stora mängder grovfoder eller fibrer. De har utvecklat matsmältningssystem som hjälper dem att smälta stora mängder cellulosa. Ett intressant inslag i idisslarnas mun är att de inte har övre framtänder. De använder sina nedre tänder, tungan och läpparna för att slita och tugga maten. Från munnen går maten till matstrupen och vidare till magsäcken.

För att hjälpa till att smälta den stora mängden växtmaterial är idisslarnas mage ett organ med flera kamrar, vilket illustreras i figur 7. Magsäckens fyra avdelningar kallas för vommen, retikulum, omasum och bukspalt. Dessa kamrar innehåller många mikrober som bryter ner cellulosa och fermenterar intagen föda. Bukspalten är den ”riktiga” magsäcken och motsvarar den monogastriska magkammaren där magsaften utsöndras. Magsäcken med fyra kamrar ger större utrymme och det mikrobiella stöd som krävs för att smälta växtmaterial hos idisslare. Jäsningsprocessen ger upphov till stora mängder gas i magkammaren, som måste elimineras. Liksom hos andra djur spelar tunntarmen en viktig roll för absorptionen av näringsämnen, och tjocktarmen hjälper till att eliminera avfall.

Pseudo-återfödare

Vissa djur, som kameler och alpackor, är pseudo-återfödare. De äter mycket växtmaterial och grovfoder. Det är inte lätt att smälta växtmaterial eftersom växternas cellväggar innehåller den polymera sockermolekylen cellulosa. Dessa djurs matsmältningsenzymer kan inte bryta ner cellulosa, men mikroorganismer som finns i matsmältningssystemet kan göra det. Därför måste matsmältningssystemet kunna hantera stora mängder grovfoder och bryta ner cellulosan. Pseudo-återfödande djur har en trekammarmage i matsmältningssystemet. Men deras blindtarmen – ett pungformat organ i början av tjocktarmen som innehåller många mikroorganismer som är nödvändiga för att smälta växtmaterial – är stor och är den plats där grovfodret fermenteras och smälts. Dessa djur har ingen rumen men har omasum, abomasum och reticulum.

Förmelsesystemets delar

Verkrypta djurs matsmältningssystem är utformat för att underlätta omvandlingen av födoämnen till de näringskomponenter som upprätthåller organismerna.

Munhålan

Munhålan, eller munnen, är den punkt där födan kommer in i matsmältningssystemet, illustrerad i Figur 8. Maten som konsumeras bryts till mindre partiklar genom masticering, tuggning med tänderna. Alla däggdjur har tänder och kan tugga sin mat.

Den omfattande kemiska processen för matsmältning börjar i munnen. När maten tuggas blandas saliv, som produceras av spottkörtlarna, med maten. Saliv är en vattnig substans som produceras i munnen hos många djur. Det finns tre stora körtlar som utsöndrar saliv – parotidkörteln, submandibularkörteln och sublingualkörteln. Saliven innehåller slem som fuktar maten och buffrar matens pH-värde. Saliv innehåller också immunoglobuliner och lysozymer, som har en antibakteriell verkan som minskar karies genom att hämma tillväxten av vissa bakterier.

Saliv innehåller också ett enzym som kallas salivamylas och som påbörjar omvandlingen av stärkelse i maten till en disackarid som kallas maltos. Ett annat enzym som kallas lipas produceras av cellerna i tungan. Lipaser är en klass av enzymer som kan bryta ner triglycerider. Lipaset i tungan påbörjar nedbrytningen av fettkomponenterna i maten.

Tuggningen och fuktningen som tillhandahålls av tänderna och saliven förbereder maten till en massa som kallas bolus för att sväljas. Tungan hjälper till att svälja – den flyttar bolus från munnen till svalget. Svalget mynnar ut i två passager: luftstrupen, som leder till lungorna, och matstrupen, som leder till magsäcken. Luftstrupen har en öppning som kallas glottis, som täcks av en brosklapp som kallas epiglottis. När man sväljer stänger epiglottis glottis och maten passerar in i matstrupen och inte i luftstrupen. Detta arrangemang gör att maten hålls borta från luftstrupen.

Sofagus

Ösofagus är ett rörformigt organ som förbinder munnen med magsäcken. Den tuggade och mjuka maten passerar genom matstrupen efter att ha svalts. De glatta musklerna i matstrupen genomgår en serie vågliknande rörelser som kallas peristaltik och som skjuter maten mot magsäcken, vilket illustreras i figur 9. Peristalsisvågen är enkelriktad – den förflyttar maten från munnen till magsäcken, och en omvänd rörelse är inte möjlig. Den peristaltiska rörelsen i matstrupen är en ofrivillig reflex; den sker som svar på sväljningen.

En ringliknande muskel som kallas sfinkter bildar ventiler i matsmältningssystemet. Den gastro-esofageala sfinktern är belägen vid magsäckens ände av matstrupen. Som svar på sväljning och det tryck som matbolusen utövar öppnas denna sfinkter och bolusen kommer in i magsäcken. När det inte sker någon sväljning är denna sfinkter stängd och hindrar maginnehållet från att vandra upp i matstrupen. Många djur har en riktig sfinkter, men hos människor finns det ingen riktig sfinkter, utan matstrupen förblir stängd när ingen sväljning sker. Syreåterflöde eller ”halsbränna” uppstår när den sura matsmältningssaften flödar ut i matstrupen.

Mage

En stor del av matsmältningen sker i magsäcken, som visas i figur 10. Magsäcken är ett säckliknande organ som utsöndrar magens matsmältningssaft. pH-värdet i magsäcken ligger mellan 1,5 och 2,5. Denna mycket sura miljö krävs för den kemiska nedbrytningen av maten och utvinningen av näringsämnen. När magsäcken är tom är den ett ganska litet organ, men den kan expandera till upp till 20 gånger sin vilostorlek när den fylls med mat. Denna egenskap är särskilt användbar för djur som behöver äta när det finns mat att tillgå.

Magsäcken är också den viktigaste platsen för proteinspjälkning hos andra djur än idisslare. Proteinspjälkningen förmedlas av ett enzym som kallas pepsin i magsäcken. Pepsin utsöndras av huvudcellerna i magsäcken i en inaktiv form som kallas pepsinogen. Pepsin bryter peptidbindningar och klyver proteiner till mindre polypeptider; det bidrar också till att aktivera mer pepsinogen, vilket startar en positiv återkopplingsmekanism som genererar mer pepsin. En annan celltyp – parietalceller – utsöndrar väte- och kloridjoner, som kombineras i lumen för att bilda saltsyra, den primära sura komponenten i magsaften. Saltsyran hjälper till att omvandla den inaktiva pepsinogenen till pepsin. Den mycket sura miljön dödar också många mikroorganismer i maten och leder i kombination med enzymet pepsins verkan till hydrolys av protein i maten. Den kemiska matsmältningen underlättas av magsäckens omskakande verkan. Kontraktion och avslappning av glatta muskler blandar maginnehållet ungefär var 20:e minut. Den delvis smälta maten och magsaftblandningen kallas chyme. Chyme passerar från magsäcken till tunntarmen. Ytterligare proteinsmältning sker i tunntarmen. Tömning av magsäcken sker inom två till sex timmar efter en måltid. Endast en liten mängd slem släpps ut i tunntarmen åt gången. Chymens förflyttning från magsäcken till tunntarmen regleras av pylorus sfinkter.

När man smälter protein och vissa fetter måste magslemhinnan skyddas från att smältas av pepsin. Det finns två punkter att ta hänsyn till när man beskriver hur magslemhinnan skyddas. För det första syntetiseras enzymet pepsin, som tidigare nämnts, i inaktiv form. Detta skyddar huvudcellerna, eftersom pepsinogen inte har samma enzymfunktionalitet som pepsin. För det andra har magsäcken ett tjockt slemfoder som skyddar den underliggande vävnaden från verkan av matsmältningssaften. När detta slemfoder brister kan magsår bildas i magsäcken. Sår är öppna sår i eller på ett organ som orsakas av bakterier (Helicobacter pylori) när slemhinnan är trasig och inte lyckas återskapa sig.

Tunntarmen

Slem rör sig från magsäcken till tunntarmen. Tunntarmen är det organ där matsmältningen av protein, fett och kolhydrater avslutas. Tunntarmen är ett långt rörliknande organ med en starkt veckad yta som innehåller fingerliknande utsprång som kallas villi. Den apikala ytan på varje villus har många mikroskopiska utsprång som kallas mikrovilli. Dessa strukturer, som illustreras i figur 11, är klädda med epitelceller på den luminala sidan och gör det möjligt för näringsämnena att absorberas från den smälta maten och tas upp i blodomloppet på den andra sidan. Villi och mikrovilli, med sina många veck, ökar tarmens yta och ökar absorptionseffektiviteten av näringsämnena. Absorberade näringsämnen i blodet transporteras till den hepatiska portvenen, som leder till levern. Där reglerar levern fördelningen av näringsämnen till resten av kroppen och avlägsnar giftiga ämnen, inklusive droger, alkohol och vissa patogener.

Den mänskliga tunntarmen är över 6 meter lång och är uppdelad i tre delar: duodenum, jejunum och ileum. Den ”C-formade”, fasta delen av tunntarmen kallas duodenum och visas i figur 10. Duodenum skiljs från magsäcken av den pyloriska sfinktern som öppnas för att låta symmetrin röra sig från magsäcken till duodenum. I tolvfingertarmen blandas chyme med bukspottkörtelsaft i en alkalisk lösning som är rik på bikarbonat som neutraliserar surheten i chyme och fungerar som en buffert. Bukspottkörtelsaften innehåller också flera matsmältningsenzymer. Matsmältningssaft från bukspottkörteln, levern och gallblåsan samt från körtelceller i själva tarmväggen kommer in i tolvfingertarmen. Gallan produceras i levern och lagras och koncentreras i gallblåsan. Gallan innehåller gallsalter som emulgerar lipider medan bukspottkörteln producerar enzymer som kataboliserar stärkelse, disackarider, proteiner och fetter. Dessa matsmältningssafter bryter ner matpartiklarna i chymet till glukos, triglycerider och aminosyror. En del kemisk matsmältning sker i tolvfingertarmen. Absorption av fettsyror sker också i duodenum.

Den andra delen av tunntarmen kallas jejunum och visas i figur 10. Här fortsätter hydrolysen av näringsämnena medan de flesta kolhydrater och aminosyror absorberas genom tarmslemhinnan. Huvuddelen av den kemiska matsmältningen och absorptionen av näringsämnen sker i jejunum.

Iileum, som också illustreras i figur 10, är den sista delen av tunntarmen och här absorberas gallsalter och vitaminer till blodet. Den osmälta maten skickas till tjocktarmen från ileum via peristaltiska muskelrörelser. Ileum slutar och tjocktarmen börjar vid den ileocekaliska klaffen. Den vermiforma, ”maskliknande”, blindtarmen ligger vid den ileocekaliska klaffen. Människans appendix utsöndrar inga enzymer och har en obetydlig roll i immuniteten.

Stortarm

Tjocktarmen, som illustreras i figur 12, återabsorberar vattnet från det osmälta matmaterialet och bearbetar avfallsmaterialet. Människans tjocktarm är mycket mindre i längd jämfört med tunntarmen men större i diameter. Den består av tre delar: blindtarmen, tjocktarmen och ändtarmen. Cekum förenar ileum med tjocktarmen och är mottagningspåse för avfallsmaterialet. I tjocktarmen finns många bakterier eller ”tarmflora” som hjälper till med matsmältningsprocessen. Tjocktarmen kan delas in i fyra regioner, den stigande tjocktarmen, den tvärgående tjocktarmen, den nedåtgående tjocktarmen och den sigmoida tjocktarmen. Tjocktarmens viktigaste funktioner är att extrahera vatten och mineralsalter från osmält mat och att lagra avfallsmaterial. Köttätande däggdjur har en kortare tjocktarm jämfört med växtätande däggdjur på grund av sin diet.

Rektum och anus

Rektum är den avslutande änden av tjocktarmen, vilket visas i figur 12. Rektumets primära uppgift är att förvara avföringen fram till avföring. Fekalierna drivs fram med hjälp av peristaltiska rörelser under eliminationen. Anus är en öppning i den bortre änden av matsmältningskanalen och är utgångspunkten för avfallet. Två sfinkter mellan rektum och anus styr elimineringen: den inre sfinktern är ofrivillig och den yttre sfinktern är frivillig.

Accessoriska organ

De organ som diskuteras ovan är de organ i matsmältningskanalen genom vilka maten passerar. Accessoriska organ är organ som tillför sekret (enzymer) som kataboliserar maten till näringsämnen. Tillbehörsorgan är bland annat spottkörtlar, levern, bukspottkörteln och gallblåsan. Levern, bukspottkörteln och gallblåsan regleras av hormoner som svar på den mat som konsumeras.

Levern är människans största inre organ och spelar en mycket viktig roll i matsmältningen av fetter och i avgiftningen av blodet. Levern producerar galla, en matsmältningssaft som behövs för att bryta ner fettkomponenterna i maten i tolvfingertarmen. Levern bearbetar också vitaminer och fetter och syntetiserar många plasmaproteiner.

Pankreas är en annan viktig körtel som utsöndrar matsmältningssaft. Den chyme som produceras från magsäcken är mycket sur till sin natur; bukspottkörtelsaften innehåller höga halter av bikarbonat, en alkali som neutraliserar den sura chymen. Dessutom innehåller bukspottkörtelsaften ett stort antal enzymer som behövs för matsmältningen av protein och kolhydrater.

Gallblåsan är ett litet organ som hjälper levern genom att lagra galla och koncentrera gallsalter. När chyme som innehåller fettsyror kommer in i tolvfingertarmen utsöndras gallan från gallblåsan till tolvfingertarmen.

Kontrollera din förståelse

Svara på frågan/frågorna nedan för att se hur väl du har förstått de ämnen som behandlades i det föregående avsnittet. Den här korta frågesporten räknas inte in i ditt betyg i kursen och du kan göra om den ett obegränsat antal gånger.

Använd den här frågesporten för att kontrollera din förståelse och besluta om du ska (1) studera det föregående avsnittet ytterligare eller (2) gå vidare till nästa avsnitt.