If you're seeing this message, it means we're having trouble loading external resources on our website.

Jeżeli jesteś za filtrem sieci web, prosimy, upewnij się, że domeny *.kastatic.org i *.kasandbox.org są odblokowane.

Główna zawartość

Homeostaza

Dowiedz się, jak organizmy utrzymują homeostazę czyli stabilne środowisko wewnętrzne. Tłumaczenie na język polski: Fundacja Edukacja Przyszłości dzięki wsparciu Fundacji HASCO-LEK.

Kluczowe informacje

  • Homeostaza to tendencja do opierania się zmianom w celu utrzymania stabilnego, względnie stałego środowiska wewnętrznego.
  • Homeostaza zazwyczaj obejmuje pętle ujemnego sprzężenia zwrotnego, które przeciwdziałają zmianom różnych właściwości w stosunku do ich wartości docelowych, zwanych punktami zadanymi.
  • W przeciwieństwie do pętli ujemnego sprzężenia zwrotnego, pętle dodatniego sprzężenia zwrotnego wzmacniają swoje bodźce, innymi słowy, oddalając system od stanu początkowego.

Wstęp

Jaka jest temperatura w pomieszczeniu, w którym teraz siedzisz? Domyślam się, że nie jest to dokładnie 98, point, 6, degrees, start text, F, end text/ 37, point, 0, degrees, start text, C, end text. Jednak temperatura twojego ciała jest zwykle bardzo bliska tej wartości. W rzeczywistości, jeśli temperatura ciała nie mieści się w stosunkowo wąskich granicach - od około 95, degrees, start text, F, end text/ 35, degrees, start text, C, end text do 107, degrees, start text, F, end text/ 41, point, 7, degrees, start text, C, end text - skutki mogą być niebezpieczne lub nawet śmiertelne. start superscript, 1, end superscript
Tendencja do utrzymywania stabilnego, względnie stałego środowiska wewnętrznego nazywana jest homeostazą. Organizm utrzymuje homeostazę w odniesieniu nie tylko do temperatury, ale także dla wielu czynników. Na przykład stężenie różnych jonów we krwi musi być utrzymywane na stałym poziomie, podobnie jak pH i stężenie glukozy. Jeśli te wartości staną się zbyt wysokie lub zbyt niskie, możesz bardzo się rozchorować.
Homeostaza jest utrzymywana na wielu poziomach, nie tylko na poziomie całego ciała, tak jak w przypadku temperatury. Na przykład żołądek utrzymuje pH różniące się od pH otaczających narządów, a każda pojedyncza komórka utrzymuje inne stężenia jonów od tych w otaczającym je płynie. Utrzymanie homeostazy na każdym poziomie jest kluczem do utrzymania ogólnych funkcji organizmu.
Jak więc jest utrzymywana homeostaza? Odpowiedzmy na to pytanie, przyglądając się kilku przykładom.

Utrzymywanie homeostazy

Systemy biologiczne, takie jak twoje ciała, są nieustannie wyprowadzane z ich punktów równowagi. Na przykład podczas ćwiczeń mięśnie zwiększają produkcję ciepła, podnosząc temperaturę ciała. Podobnie, gdy wypijasz szklankę soku owocowego, poziom glukozy we krwi wzrasta. Homeostaza zależy od zdolności twojego organizmu do wykrywania i przeciwstawiania się tym zmianom.
Utrzymanie homeostazy zwykle obejmuje pętle ujemnego sprzężenia zwrotnego. Te pętle starają się przeciwdziałać bodźcowi lub sygnałowi, który je wywołuje. Na przykład, jeśli temperatura twojego ciała jest zbyt wysoka, pętla ujemnego sprzężenia zwrotnego będzie działać tak, aby obniżyć ją z powrotem do punktu zadanego (wartości docelowej) 98, point, 6, degrees, start text, F, end text/ 37, point, 0, degrees, start text, C, end text.
Jak to działa? Po pierwsze, wysoka temperatura zostaje wykryta przez receptory - podstawowe komórki nerwowe z zakończeniami w skórze i mózgu - i przekazana do regulującego temperaturę centrum kontroli w mózgu. Centrum kontroli przetwarza informacje i aktywuje efektory - takie jak gruczoły potowe - których zadaniem jest przeciwdziałanie bodźcowi poprzez obniżanie temperatury ciała.
(a) Pętla ujemnego sprzężenia zwrotnego składa się z czterech podstawowych części: bodźca, receptora, nadzoru i efektora. (b) Temperatura ciała jest regulowana na drodze ujemnego sprzężenia zwrotnego. Bodziec występuje, gdy temperatura ciała przekracza 37 stopni Celsjusza, receptorami są komórki nerwowe z zakończeniami w skórze i mózgu, nadzorem jest ośrodkiem regulacji temperatury w mózgu, a efektorem są gruczoły potowe w całym ciele.
Źródło obrazu: zmodyfikowany na podstawie Homeostasis: Figure 1 by OpenStax College, Anatomy & Physiology, CC BY 4.0
Oczywiście temperatura ciała nie tylko waha się powyżej wartości docelowej - może również spaść poniżej tej wartości. Ogólnie rzecz biorąc, mechanizmy homeostatyczne zwykle obejmują co najmniej dwie pętle ujemnego sprzężenia zwrotnego:
  • Jedna jest aktywowana, gdy parametr - taki jak temperatura ciała - znajduje się powyżej wartości zadanej i ma na celu obniżenie go z powrotem.
  • Jedna jest aktywowana, gdy parametr znajduje się poniżej wartości zadanej i ma na celu przywrócenie go z powrotem.
Aby uczynić to zagadnienie bardziej konkretnym, przyjrzyjmy się bliżej przeciwstawnym pętlom sprzężenia zwrotnego, które kontrolują temperaturę ciała.

Odpowiedzi homeostatyczne w regulacji temperatury

Jeśli zrobi Ci się za gorąco lub za zimno, receptory na skórze i mózg informują ośrodek regulacji temperatury w twoim mózgu - w obszarze zwanym podwzgórzem - że twoja temperatura odbiegła od ustalonej wartości.
Na przykład, jeśli intensywnie ćwiczysz, temperatura twojego ciała może wzrosnąć powyżej zadanej wartości i będziesz musiał aktywować mechanizmy, które cię ochładzają. Przepływ krwi do skóry zwiększy się, aby przyspieszyć utratę ciepła do otoczenia, a także możesz zacząć się pocić, bo odparowanie potu ze skóry pomoże Ci się ochłodzić. Ciężki oddech może również zwiększyć utratę ciepła.
Obraz przedstawiający regulację temperatury w odpowiedzi na sygnały z układu nerwowego. Kiedy temperatura ciała spada, naczynia krwionośne obkurczają się, gruczoły potowe nie wytwarzają potu, a dreszcze generują ciepło, które ogrzewa ciało. Powoduje to, że ciepło zostaje zatrzymane, a temperatura ciała wraca do normy.
Gdy temperatura ciała jest zbyt wysoka, naczynia krwionośne rozszerzają się, gruczoły potowe wydzielają pot, a organizm traci ciepło. Gdy ciepło jest tracone do otoczenia, temperatura ciała wraca do normy.
Źródło obrazu: Homeostasis: Figure 4 by OpenStax College, Biology, CC BY 4.0
Z drugiej strony, jeśli siedzisz w zimnym pomieszczeniu i nie jesteś ciepło ubrany, ośrodek temperatury w mózgu będzie musiał wyzwolić reakcje, które pomogą Ci się rozgrzać. Zmniejszy się przepływ krwi do skóry i możesz zacząć drżeć, aby mięśnie mogły generować więcej ciepła. Możesz także dostać gęsiej skórki - włosy na twoim ciele staną i zatrzymają warstwę powietrza w pobliżu skóry - i możesz zwiększyć wydzielanie hormonów, które działają w celu zwiększenia produkcji ciepła.
Warto zauważyć, że wartość zadana nie zawsze jest sztywno ustalona i może być ruchomym celem. Na przykład temperatura ciała zmienia się w ciągu doby, od najwyższej późnym popołudniem do najniższej wczesnym rankiem.squared Gorączka z kolei wiąże się z tymczasowym wzrostem zadanego punktu temperatury, co oznacza, że reakcje generujące ciepło są aktywowane nawet gdy temperatura jest wyższe niż normalnacubed.

Zakłócenia w sprzężeniu zwrotnym zaburzają homeostazę.

Homeostaza zależy od pętli ujemnego sprzężenia zwrotnego. Zatem wszystko, co zakłóca mechanizmy sprzężenia zwrotnego, może - i zwykle będzie! - zaburzać homeostazę. W przypadku organizmu ludzkiego może to prowadzić do chorób.
Na przykład cukrzyca to choroba spowodowana niedziałaniem pętli sprzężenia zwrotnego z udziałem hormonu insuliny. Niedziałająca pętla sprzężenia zwrotnego utrudnia lub uniemożliwia organizmowi obniżenie wysokiego poziomu cukru we krwi do zdrowego poziomu.
Aby zrozumieć istotę cukrzycy, przyjrzyjmy się podstawom regulacji poziomu cukru we krwi. U zdrowej osoby poziom cukru we krwi jest kontrolowany przez dwa hormony: insulinę i glukagon.
Insulina obniża stężenie glukozy we krwi. Po zjedzeniu posiłku poziom glukozy we krwi wzrasta, wyzwalając wydzielanie insuliny z komórek β trzustki. Insulina działa jako sygnał, który pobudza komórki organizmu, takie jak komórki tłuszczowe i mięśniowe, do pobierania glukozy do wykorzystania jako paliwo. Insulina stymuluje również w wątrobie przemianę glukozy w glikogen - cząsteczkę magazynującą. Oba procesy usuwają cukier z krwi, obniżając poziom cukru we krwi, zmniejszając wydzielanie insuliny i przywracając cały system do homeostazy.
Jeśli stężenie glukozy we krwi wzrośnie powyżej normalnego zakresu, uwalniana jest insulina, która pobudza komórki organizmu do usuwania glukozy z krwi. Jeśli stężenie glukozy we krwi spadnie poniżej tego zakresu, uwalniany jest glukagon, który stymuluje komórki organizmu do uwalniania glukozy do krwi.
Źródło obrazu: zmodyfikowany na podstawie The endocrine pancreas: Figure 2 by OpenStax College, Anatomy & Physiology, CC BY 4.0
Glukagon działa odwrotnie: zwiększa stężenie glukozy we krwi. Jeśli nie jesz przez jakiś czas, poziom glukozy we krwi spada, co powoduje uwolnienie glukagonu z innej grupy komórek trzustki, komórek α. Glukagon oddziałuje na wątrobę, powodując rozkład glikogenu na glukozę i uwalnianie jej do krwiobiegu, powodując powrót do wyższego poziomu cukru we krwi. Zmniejsza to wydzielanie glukagonu i przywraca system do homeostazy.
Cukrzyca występuje, gdy trzustka człowieka nie jest w stanie wytworzyć wystarczającej ilości insuliny lub gdy komórki organizmu przestają reagować na insulinę, czasem występuje i jedno, i drugie. W tych warunkach komórki organizmu nie pobierają z łatwością glukozy, więc poziom cukru we krwi pozostaje wysoki przez długi czas po posiłku. Dzieje się tak z dwóch powodów:
  • Komórki mięśniowe i tłuszczowe nie pobierają wystarczającej ilości glukozy, czyli paliwa. Może to powodować zmęczenie, a nawet zanikanie mięśni i tkanki tłuszczowej.
  • Wysoki poziom cukru we krwi powoduje objawy, takie jak zwiększone oddawanie moczu, pragnienie, a nawet odwodnienie. Z czasem może prowadzić do poważniejszych komplikacji. start superscript, 4, comma, 5, end superscript

Pętle dodatniego sprzężenia zwrotnego

Mechanizmy homeostatyczne zwykle zawierają pętle ujemnego sprzężenia zwrotnego. Cechą charakterystyczną pętli ujemnego sprzężenia zwrotnego jest to, że przeciwdziała zmianom, przywracając wartość parametru - takiego jak temperatura lub poziom cukru we krwi - do wartości zadanej.
Jednak niektóre systemy biologiczne wykorzystują pętle dodatniego sprzężenia zwrotnego. W przeciwieństwie do pętli z ujemnym sprzężeniem zwrotnym, pętle z dodatnim sprzężeniem zwrotnym wzmacniają sygnał początkowy. Pętle dodatniego sprzężenia zwrotnego występują zwykle w procesach, które muszą zostać doprowadzone do końca, a nie w przypadku, gdy konieczne jest utrzymanie statusu quo (stanu niezmiennego).
Pętla dodatniego sprzężenia zwrotnego odgrywa ważną rolę podczas porodu. Podczas porodu głowa dziecka naciska na szyjkę macicy - dno macicy, przez którą dziecko musi się urodzić - i aktywuje neurony w mózgu. Neurony wysyłają sygnał, który prowadzi do uwolnienia hormonu -oksytocyny, z przysadki mózgowej.
Oksytocyna zwiększa skurcze macicy, a tym samym ucisk na szyjkę macicy. Powoduje to uwolnienie jeszcze większej ilości oksytocyny i wywołuje jeszcze silniejsze skurcze. Ta pętla dodatniego sprzężenia zwrotnego trwa aż do narodzin dziecka.
Normalny poród jest napędzany przez pętlę dodatniego sprzężenia zwrotnego. Pętla dodatniego sprzężenia zwrotnego powoduje raczej zmianę stanu organizmu niż powrót do homeostazy. Pętla sprzężenia zwrotnego obejmuje (pętle są rysowane zgodnie z ruchem wskazówek zegara): * Impulsy nerwowe z szyjki macicy są przekazywane do mózgu * Mózg stymuluje przysadkę mózgową do wydzielania oksytocyny * Oksytocyna jest transportowana krwiobiegiem do macicy * Oksytocyna stymuluje skurcze macicy i popycha dziecko w kierunku szyjki macicy * Głowa dziecka naciska na szyjkę macicy * i tak dalej w pętli!
Źródło obrazu: Homeostasis: Figure 2 autor OpenStax College, Anatomy & Physiology, CC BY 4.0