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Internal Organization 

and Homeostasis Internal 

Organization

Animal Internal Organization • The multicellular body is a highly efficient and well‐coordinated community of specialized cell types

• Anatomy is the study of the structures that make up a multicellular organism, and physiology is the study of the functions of the anatomical structures

Internal Organization: Cells and Tissues• The human body has at least 220 different specialized cell types attached to the mat of proteins and carbohydrates that makes up the extracellular matrix

Extracellular Matrix Internal Organization: Cells and Tissues

• Cells that function in an integrated manner to perform a common set of functions make up a tissue, which is composed of one or more cooperating cell types

• Four types of Tissues:

Epithelial Tissue

Connective Tissue

Muscle Tissue

Nervous Tissue

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Epithelial Tissue• Covers organs and lines body cavities

• Epithelial tissue covers the surface of the body and the organs; it also lines the internal spaces

• Epithelial tissue forms closely packed sheets of cells held together by special cell attachment structures such as tight junctions

Basement Membrane• Thin sheet of fibers that lays under the epithelial cells to anchor them to the connective tissue layers underneath.

Epithelium

Connective Tissue

Basement Membrane

Connective Tissue• Forms a matrix that binds and supports tissues

• Consists of cells embedded in a matrix and functions to bind cells and tissues together to provide structural support for the body

• There are four types of connective tissue:• Loose connective tissue• Dense connective tissue• Supporting connective tissue• Fluid connective tissue

Loose Connective Tissue

– Ex: adipose tissue

Dense Connective Tissue

– Ex: Tendons and ligaments

High in collagen, fibrous protein

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Supporting Connective Tissue– Ex: Bone and cartilage

Hyaline Cartilage

Fluid Connective Tissue– Ex: Blood and Lymph 

Blood Clot

Muscle Tissue• Muscle tissue consists of fibers that contain stacks of contractile proteins that can shorten the fibers to generate force and perform work

• Skeletal muscle: contracted voluntarily

• Cardiac muscle found in the heart and is involuntarily

• Smooth muscle contracts involuntarily and is found in the walls of the intestines, blood vessels, and urinary bladder

Nervous Tissue• Nervous tissue is made up of neurons and enables animals to detect a signal and respond to it within a fraction of a second 

• Neurons are composed of dendrites that receive signals and an axon that transmits signals, often over long distances

Organs and Organ Systems

• There are 11 major organs systemscomposed of two or more organs working in a closely coordinated manner to perform a distinct set of functions in the body

Eleven Organ Systems

• Integumentary system‐skin 

• Skeletal system

• Muscular system

• Digestive system 

• Urinary system

• Respiratory system 

• Circulatory system 

• Immune system

• Reproductive system • Endocrine system‐hormones

• Nervous system 

• The endocrine system and nervous system form a communication network that integrates and regulates all the other organ systems

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Homeostasis

Homeostasis

• Homeostasis is the process of maintaining a relatively constant internal state despite fluctuations in the external environment and is vital for the proper function of most organisms

• What are some things that have to be balanced in the body to function properly?

Maintaining the Internal Environment:Homeostasis

• Homeostasis enables an organism to sense its internal environment continually and readjust it to maintain conditions best suited for life processes

• By buffering the internal environment, homeostasis makes minor internal adjustments to balance large fluctuations in the external environment (Ex. wet/dry, hot/cold)

Maintaining the Internal Environment:Homeostasis

• An adaptation is a genetic characteristic that matches an organism to its natural environment

• Adaptive responses expressed in an individual when an environmental challenge presents itself are known as acclimation

• Homeostasis is the most widespread adaptive strategy for dealing with changing  environmental conditions

Adaptation vs. Acclimation

• The Tibetan on the left is adapted to high elevation

• The skier on the right is able to survive in high elevation 

Body Shape and Size Affect Exchange Rates: Physics Applies to Biology, Always!

• Single‐celled, thin, and flat organisms can exchange gases directly with the environment

• Terrestrial animals need large surface areas, such as the lungs, to absorb oxygen gas and expel waste carbon dioxide

• Large animals tend to exchange water, solutes, and heat with their environment more slowly than small animals do

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Maintaining the Internal Environment:Homeostasis

• To maintain homeostasis, the body must:

– Detect: Monitor the physical and chemical characteristics of the internal environment

– Correct: Trigger regulatory processes within the body if there is any departure from the normal state

Homeostatic Pathways Have Feedback Loops

• Feedback loops are used to detect and correct imbalances

• A feedback loop is a multistep process in which one step gives information (feeds back) to control an earlier step. 

• A negative feedback loop turns off or reduces the output of a process

• Homeostasis works to keep an organism at a set point. 

1. The sensormeasures current conditions.

2. The integratorcompares the current conditions to the set point and informs the effector of a mismatch.

3. The effector responds to correct the internal environment to the set point.

Homeostasis Requires Energy

• The greater the difference between external conditions and ideal internal conditions, the greater the energy cost for the animal

• For some animals, such as insects, reptiles, and amphibians, the energy cost of regulating internal body temperature outweighs the benefits

• Birds and mammals have evolved mechanisms of homeostasis that allow them to live in a greater range of habitats

Homeostasis in Action: Regulating Temperature

• Thermoregulation‐ The process of controlling heat gain and loss 

• Animals gain heat from their internal metabolic processes, called metabolic heat,  and heat energy obtained from their environment

Importance of Thermoregulation

• If body temperature is too low, the rate of chemical reaction decreases, and cells can burst due to freezing

• If body temperature is too high, proteins will denature and the plasma membrane will no longer be selectively permeable

• W2L #2: When you are at room temperature, is there ever a time you need to raise or decrease your internal temperature? Why?

Regulating Internal Temperature

• Birds and mammals are endotherms, which areanimals that use internally generated heat, or metabolic heat,  to warm themselves.

• Ectotherms, such as fishes, invertebrates, and reptiles, depend on environmental heat sources to regulate their body temperature

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• Heat can enter and leave an animal’s body by conduction, radiation, or evaporation

Heat TransferOrganisms can transfer heat between their bodies and the environment in three ways:

– Conduction

– Radiation

– Evaporation

Animals have developed a huge number of adaptations to increase and decrease heat transfer with the environment so that they are able to maintain homeostasis.

Conduction• Water conducts 50 ‐100 times more heat than air.

• For this reason, terrestrial animals can maintain a constant body temperature more easily than aquatic animals.

• Heat conduction allows heat to flow by direct contact, in one direction, from warm to cold.

Snake basking

Adaptation for Decreasing the Effect of Conduction in Cold Climates

Radiation• Radiation is heat in the form of light or infrared (heat) waves

• All objects, including animals, can both absorb and emit radiant heat

• Radiant heat from the sun provides the major heat source for ectotherms

Evaporation

• Evaporation enables animals to lose heat to their environment through the transition from liquid to gas.

• When the liquid evaporates from external body surfaces, it takes large amounts of heat energy with it, cooling the organism.

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Convection Increases Heat Exchange• Convection is the 

physical movement of molecules, and the heat contained within them, in a gas or liquid 

• Convection in the external environment (ex: breeze) can accelerate heat exchange by increasing the rate of conduction, radiant heat loss , and evaporation

Adaptations to decrease convection in cold environments: fur or feathers slows convection by reducing the temperature difference between the skin and adjacent air

Feedback Loop for Thermoregulation

Week 1 Lab

Week 1 LabExercises 1 and 2

• Exercise 1

• Exercise 2

Regulating Water and Solute Levels

• Liquid water is one of the most important requirements for life 

• The control of internal water content and solute concentration by an organism is known as osmoregulation

Plasma Membrane

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Selective Permeability

• Selective about what crosses based on: 

– Size

– Electrical charge 

– Other properties  

Permeability 

Types of Transport

• Passive Transport

– Molecules transported along concentration gradient

– Does not require energy

• Active Transport

– Molecules transported against concentration gradient

– Requires energy!

Concentration Gradient

• Difference in concentration of molecules in one area compared to another

Diffusion• Small substances diffuse faster than larger substances

• Heat increases the rate of diffusion

• The greater the difference in concentration of two substances, the greater the rate of diffusion

Osmosis

• Maintaining a proper water balance is vital for every cell

• Osmosis is a type of passive diffusion that moves water across a selectively permeable membrane from an area of lower solute concentration to an area of higher solute concentration

• Osmosis does not involve the movement of solutes

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Osmoregulation

• Osmosis – diffusion of water across plasma membrane

• Osmolarity – total solute concentration

Tonicity 

Practice:1.If you put a cell that is 90% water into a

solution that is 65% water what will happen to the cell? • 1st draw it• Is the solution hypo-, hyper-, or

isotonic?• Remember only water is crossing the

membrane. Why?

Practice:

2.If you put a cell that is 90% water into a solution that is 95% water what will happen to the cell? Is the solution hypo-, hyper-, or isotonic?

3.If you put a cell that is 90% water into a solution that is 90% water what will happen to the cell? Is the solution hypo-, hyper-, or isotonic?

• Osmoconformers, such as corals and lobsters, do not spend much energy maintaining water and salt homeostasis because their internal fluids resemble seawater

• Osmoregulators are those organisms whose water and salt levels are not the same as those of their surroundings

• Land animals continually lose water and solutes to their environment and are therefore osmoregulators

Regulating Water and Solute Levels Metabolism Changes theComposition of Body Fluids

• The solute composition of an animal is changed as the cells metabolize macromolecules

• Waste products, such as ammonia, must be removed from the body in order to maintain homeostasis

• Humans and some other terrestrial animals convert ammonia to water‐soluble urea before excreting it as urine

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• The kidneys are responsible for maintaining water and solute homeostasis in terrestrial vertebrates by filtering and regulating the composition of our blood 

• The kidneys are composed of nephrons, which act as the filtration system, and glomeruli, which deliver blood to and from the nephrons

The Urinary System Regulates Water and Solutes The Urinary System Regulates Water and Solutes

• Another important function of the nephron is reabsorption of valuable solutes and water from inside the tubule

• Our kidneys use active transport, selectively reabsorbing valuable nutrients and 99 percent of the water in our bodies

Relating this to our field trip!

• Lets think about water, salt, and tide pools!

Exercises 3, 4, and 5

• Exercise 3

• Color figure 3

• Exercise 4

• Exercise 5