Nghiên cứu về sinh lý học

Sinh lý học (tiếng Anh: Physiology, /ˌfɪziˈɒlədʒi/; từ tiếng Hi Lạp cổ φύσις (physis) 'tự nhiên, nguồn gốc', và -λογία (-logia) 'nghiên cứu về') là một bộ môn khoa học nghiên cứu về các chức năng và cơ chế trong một cơ thể sống. Là một phân ngành của sinh học, sinh lý học chú trọng vào cách những sinh vật, hệ cơ quan, cơ quan, tế bào và phân tử sinh học của cá thể thực hiện các chức năng hóa học và vật lý trong một cơ thể sống. Dựa theo các lớp sinh vật, bộ môn có thể được chia làm sinh lý y khoa, sinh lý học động vật, sinh lý học thực vật, sinh lý học tế bào và sinh lý học so sánh.

Trọng tâm của chức năng sinh lý học là những quá trình lý sinh và hóa sinh, cơ chế kiểm soát cân bằng nội môi và tín hiệu giữa các tế bào. Tình trạng sinh lý là tình trạng chức năng thông thường, trong khi tình trạng bệnh lý là những tình trạng bất thường, trong đó có bệnh tật ở người.

Giải Nobel Sinh lý học hoặc Y học được Viện Hàn lâm Khoa học Hoàng gia Thụy Điển trao tặng cho những thành tựu khoa học xuất sắc trong sinh lý học liên quan đến y học.

Nền tảng

Tế bào

Mặc dù có những điểm khác biệt giữa tế bào của động vật, thực vật và vi khuẩn, những chức năng sinh lý học cơ bản của tế bào có thể được chia thành các quá trình phân bào, tín hiệu tế bào, tăng sinh tế bào và trao đổi tế bào.

Thực vật

Sinh lý học thực vật là một phân ngành của thực vật học liên quan đến chức năng của thực vật. Những bộ môn liên quan mật thiết gồm có hình thái học thực vật, sinh thái học thực vật, hóa thực vật học, sinh học tế bào, di truyền học, lý sinh học và sinh học phân tử. Những quá trình cơ bản của sinh lý học thực vật gồm có quang hợp, hô hấp, dinh dưỡng thực vật, hướng động, ứng động, quang chu kỳ, phát sinh hình thái học, nhịp điệu sinh học, nảy mầm, tình trạng ngủ, chức năng khí khổng và thoát hơi nước. Hút nước qua rễ, sản xuất thức ăn trong lá và sự phát triển của chồi hướng sáng là những ví dụ về sinh lý học thực vật.

Động vật

Người

Sinh lý học con người ra đời nhằm tìm hiểu cơ chế giúp cho cơ thể người vận hành và tồn tại, thông qua nghiên cứu khoa học về bản chất của các chức năng cơ học, vật lý và hóa sinh của người, cơ quan của họ, và tế bào được cấu thành từ chúng. Mức độ chú trọng chính của sinh lý học nằm ở mức độ của các cơ quan và hệ thống. Hệ thống thần kinh và nội tiết giữ vai trò chính trong việc tiếp nhận và truyền tín hiệu, gắn thành chức năng ở động vật. Cân bằng nội môi là khía cạnh chính liên quan đến những tương tác kể trên trong thực vật cũng như động vật. Cơ sở sinh học của nghiên cứu sinh lý học, hòa nhập là để chỉ nhiều chức năng chồng chéo trong các hệ thống của cơ thể người, cũng như hình dạng của chúng. Cơ sở ấy có được thông qua liên lạc xảy ra bằng nhiều cách, cả theo điện học và hóa học.

Những thay đổi trong sinh lý học có thể tác động tới chức năng tinh thần của các cá nhân. Những ví dụ có thể kể tới tác động của một số loại thuốc hoặc độ độc của các chất. Những thay đổi về mặt hành vi do những chất trên gây ra thường được dùng để đánh giá sức khỏe của các cá nhân. Phần lớn kiến thức cốt lõi của sinh lý học người được bổ sung thêm bằng thử nghiệm động vật. Do mối liên hệ thường trực giữa hình thái và chức năng, sinh lý học và giải phẫu học có quan hệ mật thiết và được nghiên cứu song song như một phần của chương trình giảng dạy y khoa.

Sinh lý học so sánh

Liên quan đến sinh lý học tiến hóa và sinh lý học môi trường, sinh lý học so sánh nghiên cứu tính đa dạng về các đặc điểm chức năng giữa các sinh vật.

Lịch sử

Thời cổ đại

Nghiên cứu sinh lý học như một lĩnh vực y khoa bắt nguồn từ thời Hy Lạp cổ đại, vào thời Hippocrates (cuối thế kỷ 5 TCN). Ngoài phương Tây, sinh lý học và giải phẫu học đầu tiên cũng xuất hiện tại Trung Quốc, Ấn Độ và một số nơi khác trong khoảng thời gian đó. Hippocrates đưa ra học thuyết về thể dịch, bao gồm 4 nguyên tố cơ bản: đất, nước, không khí và lửa. Mỗi nguyên tố được cho là tương ứng với các thể dịch: mật đen, đờm, máu và mật vàng. Hippocrates cũng lưu ý mối liên hệ của cảm xúc với 4 thể dịch này, một ý tưởng được Galen mở rộng sau này. Tư duy phê phán của Aristotle và sự nhấn mạnh vào mối quan hệ giữa cấu trúc và chức năng đã là bước ngoặt đầu tiên của sinh lý học trong thời Hy Lạp cổ đại. Tương tự Hippocrates, Aristotle áp dụng thuyết thể dịch vào bệnh tật, với 4 loại chính: nóng, lạnh, ước và khô. Galen (sống từ khoảng năm 130-200 TCN) là người đầu tiên áp dụng thực nghiệm để nghiên cứu chức năng của cơ thể. Khác với Hippocrates, Galen cho rằng sự mất cân bằng thể dịch có thể nằm ở các cơ quan cụ thể trong cơ thể. Sửa đổi lý thuyết của ông đã giúp các bác sĩ có được phương pháp chẩn đoán bệnh hiệu quả hơn. Galen cũng phản đối quan điểm của Hippocrates về mối liên hệ giữa cảm xúc và thể dịch, và đưa ra khái niệm về tính khí: lạc quan tương ứng với máu; lạnh lùng tương ứng với đờm; mật vàng tương ứng với tính nóng; và mật đen tương ứng với tính sầu muộn. Galen cũng nhấn mạnh rằng cơ thể người gồm ba hệ thống liên kết: não và hệ thần kinh (đảm nhiệm chức năng tư duy và cảm giác); trái tim và mạch máu (cung cấp sự sống); gan và tĩnh mạch (đảm bảo dinh dưỡng và sinh trưởng). Galen cũng là người sáng lập sinh lý học thực nghiệm và trong hơn 1.400 năm qua, công trình của ông vẫn là một công cụ quan trọng và có ảnh hưởng trong y học.

Thời cận đại

Bác sĩ người Pháp Jean Fernel (1497–1558) là người đặt ra thuật ngữ 'sinh lý học' ('physiology'). Galen, Ibn al-Nafis, Michael Servetus, Realdo Colombo, Amato Lusitano và William Harvey được ghi nhận với những phát hiện quan trọng về tuần hoàn máu. Santorio Santorio là người đầu tiên sử dụng thiết bị để đo mạch và thiết bị nhiệt để đo tính khí vào những năm 1610.

Năm 1791, Luigi Galvani mô tả vai trò của điện trong dây thần kinh của cơ thể ếch bị mổ xẻ. Năm 1811, César Julien Jean Legallois nghiên cứu hô hấp trong mẫu động vật mổ xẻ và phát hiện trung tâm điều khiển hô hấp nằm ở hành não. Trong năm đó, Charles Bell hoàn thành nghiên cứu về sự khác biệt chức năng giữa rễ lưng và rễ bụng của tủy sống, sau đó được biết đến là luật Bell-Magendie. Năm 1824, François Magendie miêu tả các rễ cảm giác và cung cấp bằng chứng về vai trò của tiểu não trong sự cân bằng thăng bằng để hoàn thiện luật Bell-Magendie.

Trong thập niên 1820, nhà sinh lý học Pháp Henri Milne-Edwards đưa ra khái niệm về phân công lao động trong sinh lý, cho phép 'so sánh và nghiên cứu về các sinh vật như những cỗ máy được tạo ra bởi ngành công nghiệp của con người.' Lấy cảm hứng từ Adam Smith, Milne-Edwards nhấn mạnh rằng: 'cơ thể của mọi sinh vật sống, bất kể là động vật hay thực vật, đều như một nhà máy ... nơi các cơ quan (tương tự như công nhân) làm việc không ngừng nghỉ để tạo ra những hiện tượng tạo nên sự sống của cá thể.' Đối với các sinh vật khác nhau, chức năng lao động có thể được phân bố trên các hệ thống khác nhau (gọi là appareils).

Năm 1858, Joseph Lister nghiên cứu về nguyên nhân gây đông máu và nhiễm trùng sau chấn thương và phẫu thuật. Ông phát hiện và sử dụng thuốc sát trùng trong phẫu thuật, giảm thiểu tỷ lệ tử vong do phẫu thuật. Hiệp hội Sinh lý học thành lập tại Luân Đôn vào năm 1876 dưới dạng một câu lạc bộ ẩm thực. Hiệp hội Sinh lý Mỹ (APS) thành lập vào năm 1887 là một tổ chức phi lợi nhuận với phương châm 'thúc đẩy giáo dục, nghiên cứu khoa học và phổ biến thông tin trong lĩnh vực sinh lý học.' Năm 1891, Ivan Pavlov tiến hành nghiên cứu về 'phản ứng điều kiện' liên quan đến việc tiết nước bọt của chó khi phản ứng với tiếng chuông và kích thích thị giác.

Trong thế kỷ 19, kiến thức về sinh lý học bắt đầu tích lũy một cách nhanh chóng, đặc biệt là với sự xuất hiện của học thuyết tế bào của Matthias Schleiden và Theodor Schwann vào năm 1838. Học thuyết này khẳng định rằng các sinh vật được cấu thành từ những đơn vị gọi là tế bào. Claude Bernard (1813–1878) tiếp tục phát triển khái niệm về môi trường bên trong (milieu interieur), được Walter B. Cannon định nghĩa lại là cân bằng nội môi vào năm 1929. Cannon giải thích rằng cân bằng nội môi là 'sự duy trì các trạng thái cân bằng trong cơ thể và được điều chỉnh qua các quá trình sinh lý.' William Beaumont là người Mỹ đầu tiên áp dụng ứng dụng thực tiễn của sinh lý học.

Trong thế kỷ 19, những nhà sinh lý học như Michael Foster, Max Verworn và Alfred Binet (theo ý tưởng của Haeckel) đã cùng đưa ra khái niệm 'sinh lý học tổng quát', một lĩnh vực khoa học thống nhất về sự sống dựa trên hoạt động của tế bào, sau này được biến đổi thành sinh học tế bào vào thế kỷ 20.

Thời kỳ hậu cận đại

Trong thế kỷ 20, các nhà sinh học bắt đầu quan tâm đến hoạt động sinh lý của các sinh vật khác nhau, không chỉ là con người, và từ đó đã phát triển ra các chuyên ngành như sinh lý học so sánh và sinh lý học sinh thái. Các nhà khoa học chính trong lĩnh vực này là Knut Schmidt-Nielsen và George Bartholomew. Gần đây, sinh lý học tiến hóa đã trở thành một phân ngành độc lập. Năm 1920, August Krogh đã nhận giải Nobel vì phát hiện cách điều hòa lưu lượng máu trong mao mạch. Năm 1954, Andrew Huxley và Hugh Huxley cùng nhóm nghiên cứu của họ phát hiện sợi trượt trong cơ xương, được biết đến với tên gọi thuyết sợi trượt ngày nay.

Gần đây, môn sinh lý học đã chứng kiến những cuộc tranh luận sôi nổi về tương lai của nó như một phân ngành (liệu nó đã chết hay vẫn còn sống?). Sự ít được chú ý hơn của sinh lý học ngày nay so với thời kỳ vàng son của thế kỷ 19 chủ yếu là do nó đã phát triển ra các phân ngành khoa học chuyên biệt như khoa học thần kinh, nội tiết học và miễn dịch học. Tuy nhiên, sinh lý học vẫn được xem là một lĩnh vực thống nhất, có khả năng kết hợp các dữ liệu từ nhiều phân ngành khác nhau.

Những nhà sinh lý học nổi tiếng

Phụ nữ trong lĩnh vực sinh lý học

Ban đầu, phụ nữ thường bị loại khỏi các hoạt động chính trong các tổ chức sinh lý học. Ví dụ, Hiệp hội Sinh lý học Hoa Kỳ được thành lập vào năm 1887 và chỉ có nam giới là thành viên. Cho đến năm 1902, Ida Hyde trở thành thành viên nữ đầu tiên của hội. Hyde, đại diện cho Đại học Liên bang nữ Mỹ, đã nỗ lực mạnh mẽ để thúc đẩy bình đẳng giới trong giáo dục và khoa học.

Sau đó, vào năm 1913, J.S. Haldane đề xuất phụ nữ được phép tham gia chính thức vào Hiệp hội Sinh học, một tổ chức thành lập từ năm 1876. Vào ngày 3 tháng 7 năm 1915, 6 phụ nữ đã chính thức được công nhận: Florence Buchanan, Winifred Cullis, Ruth C. Skelton, Sarah C. M. Sowton, Constance Leetham Terry và Enid M. Tribe. Lễ kỷ niệm 100 năm sự lựa chọn nữ giới vào lĩnh vực sinh lý học đã diễn ra vào năm 2015 với việc xuất bản cuốn sách 'Women Physiologists: Centenary Celebrations And Beyond For The Physiological Society.' (ISBN 978-0-9933410-0-7)

Những nhà sinh lý học nữ nổi tiếng bao gồm:

• Bodil Schmidt-Nielsen, người phụ nữ đầu tiên giữ chức Chủ tịch của Hiệp hội Sinh lý học Mỹ từ năm 1975.
• Gerty Cori, cùng với chồng mình Carl Cori, đã nhận Giải Nobel Sinh lý học hoặc Y học năm 1947 vì khám phá về glucose-6-phosphate, còn được biết đến là glycogen, và vai trò của nó trong quá trình trao đổi chất của sinh vật. Họ cũng đã khám phá Chu kỳ Cori, hay còn gọi là Chu kỳ lactic acid, mô tả cách cơ thể chuyển đổi glycogen thành acid lactic qua quá trình lên men lactic acid.
• Barbara McClintock, người đã nhận Giải Nobel Sinh lý học hoặc Y học năm 1983 vì phát hiện về di truyền chéo. McClintock là người duy nhất nhận giải Nobel mà không chia sẻ với ai khác.
• Gertrude Elion, cùng với George Hitchings và Sir James Black, đã nhận Giải Nobel Sinh lý học hoặc Y học năm 1988 vì phát triển các loại thuốc được sử dụng trong điều trị nhiều bệnh lý chính, như bệnh ung thư, bệnh tự miễn dịch, bệnh gút, sốt rét và bệnh zona.
• Linda B. Buck, cùng với Richard Axel, đã nhận Giải Nobel Sinh lý học hoặc Y học năm 2004 vì khám phá về cơ chế cảm nhận mùi và tổ chức phức tạp của hệ thống cảm giác mùi.
• Françoise Barré-Sinoussi, cùng với Luc Montagnier, đã nhận Giải Nobel Sinh lý học hoặc Y học năm 2008 vì công trình phát hiện virus HIV gây bệnh AIDS.
• Elizabeth Blackburn, cùng với Carol W. Greider và Jack W. Szostak, đã nhận Giải Nobel Sinh lý học hoặc Y học năm 2009 vì khám phá về thành phần di truyền và vai trò của telomere và enzyme telomerase.

Các nhánh của sinh lý học

Có nhiều cách để phân loại các nhánh của môn sinh lý học:

• dựa trên đối tượng nghiên cứu: sinh lý học con người, sinh lý học động vật, sinh lý học thực vật, sinh lý học vi sinh vật, sinh lý học virus
• dựa trên cấp tổ chức: sinh lý học tế bào, sinh lý học phân tử, sinh lý học hệ thống, sinh lý học sinh vật, sinh lý học sinh thái, sinh lý học thống nhất
• dựa trên quá trình gây ra biến đổi sinh lý: sinh lý học phát triển, sinh lý học môi trường, sinh lý học tiến hóa
• dựa trên mục tiêu nghiên cứu cuối cùng: sinh lý học ứng dụng (ví dụ, sinh lý học y khoa), sinh lý học cơ bản (ví dụ, sinh lý học so sánh)