Homeostase er evnen til at opretholde en relativt stabil indre tilstand, der fortsætter på trods af ændringer i omverdenen. Alle levende organismer, lige fra planter til hvalpe til mennesker, skal regulere deres indre miljø for at kunne behandle energi og i sidste ende overleve. Hvis dit blodtryk f.eks. stiger voldsomt, eller kropstemperaturen falder, kan dine organsystemer få svært ved at udføre deres arbejde og i sidste ende fejle.
Hvorfor homeostase er vigtig
Fysiologen Walter Cannon opfandt begrebet “homeostase” i 1920’erne og udbyggede dermed tidligere arbejde udført af den afdøde fysiolog Claude Bernard. I 1870’erne beskrev Bernard, hvordan komplekse organismer skal opretholde balancen i deres indre miljø, eller “milieu intérieur”, for at kunne leve et “frit og uafhængigt liv” i den ydre verden. Cannon finpudsede begrebet og introducerede homeostase til et populært publikum gennem sin bog “The Wisdom of the Body” (The British Medical Journal, 1932).
Cannons grundlæggende definition af homeostase, der blev hyldet som et centralt princip i fysiologien, er stadig i brug i dag. Udtrykket stammer fra græske rødder, der betyder “lignende” og “en tilstand af stabilitet”. Præfikset “homeo” understreger, at homeostase ikke fungerer som en termostat eller fartpilot i en bil, der er fastlåst på én præcis temperatur eller hastighed. I stedet holder homeostase vigtige fysiologiske faktorer inden for et acceptabelt interval af værdier, ifølge en gennemgang i tidsskriftet Appetite.
Den menneskelige krop regulerer f.eks. sine interne koncentrationer af hydrogen, calcium, kalium og natrium, ladede partikler, som cellerne er afhængige af for at fungere normalt. Homøostatiske processer opretholder også vand-, ilt-, pH- og blodsukkerniveauet samt kroppens kernetemperatur, ifølge en gennemgang fra 2015 i Advances in Physiology Education.
I sunde organismer udfolder de homøostatiske processer sig konstant og automatisk, ifølge Scientific American. Flere systemer arbejder ofte i tandem for at holde en enkelt fysiologisk faktor, som f.eks. kropstemperaturen, stabil. Hvis disse foranstaltninger vakler eller fejler, kan en organisme bukke under for sygdom eller endog dø.
Hvordan homøostase opretholdes
Mange homøostatiske systemer lytter efter nødsignaler fra kroppen for at vide, når vigtige variabler falder ud af deres passende område. Nervesystemet registrerer disse afvigelser og rapporterer tilbage til et kontrolcenter, som ofte er baseret i hjernen. Kontrolcentret styrer derefter muskler, organer og kirtler for at rette op på forstyrrelsen. Det kontinuerlige kredsløb af forstyrrelse og justering er kendt som “negativ feedback” ifølge online lærebogen Anatomy and Physiology.
For eksempel opretholder den menneskelige krop en kernetemperatur på ca. 98,6 grader Fahrenheit (37 grader Celsius). Når den er overophedet, slår termosensorer i huden og hjernen alarm og sætter en kædereaktion i gang, som får kroppen til at svede og skylle ud. Når kroppen er afkølet, reagerer den ved at ryste og reducere blodcirkulationen til huden. På samme måde signalerer kroppen, når natriumniveauet stiger kraftigt, til nyrerne, at de skal spare på vandet og udlede overskydende salt i koncentreret urin, ifølge to NIH-finansierede undersøgelser.
Dyr tilpasser også deres adfærd som reaktion på negativ feedback. Når vi f.eks. er overophedede, kan vi smide et lag tøj, bevæge os ind i skyggen eller drikke et koldt glas vand.
Moderne modeller for homøostase
Begrebet negativ feedback stammer tilbage fra Cannons beskrivelse af homøostase i 1920’erne og var den første forklaring på, hvordan homøostase fungerer. Men i de seneste årtier har mange forskere hævdet, at organismer er i stand til at forudse potentielle forstyrrelser af homeostasen i stedet for først at reagere på dem bagefter.
Denne alternative model af homeostase, kendt som allostase, indebærer, at det ideelle setpunkt for en bestemt variabel kan skifte som reaktion på forbigående miljømæssige ændringer, ifølge en artikel fra 2015 i Psychological Review. Punktet kan skifte under indflydelse af cirkadiske rytmer, menstruationscyklusser eller daglige svingninger i kropstemperaturen. Setpunkterne kan også ændre sig som reaktion på fysiologiske fænomener, som f.eks. feber, eller for at kompensere for flere homøostatiske processer, der finder sted på samme tid, ifølge en gennemgang fra 2015 i Advances in Physiology Education.
“Setpunkterne i sig selv er ikke faste, men kan vise adaptiv plasticitet,” siger Art Woods, biolog ved University of Montana i Missoula. “Denne model giver mulighed for foregribende reaktioner på kommende potentielle forstyrrelser af sætpunkterne.”
For eksempel udskiller kroppen i forventning om et måltid ekstra insulin, ghrelin og andre hormoner i henhold til en gennemgang i Appetite fra 2007. Denne forebyggende foranstaltning gør kroppen klar til den indkommende strøm af kalorier i stedet for at kæmpe for at kontrollere blodsukkeret og energidepoterne i kølvandet på den.
Evnen til at flytte sætpunkter gør det muligt for dyr at tilpasse sig til kortsigtede stressorer, men de kan fejle over for langsigtede udfordringer som f.eks. klimaændringer.
“Det kan være fint at aktivere homøostatiske responssystemer i korte perioder”, siger Woods. Men de er ikke designet til at holde i lang tid. “Homeostatiske systemer kan fejle katastrofalt, hvis de presses for langt; så selv om systemerne måske kan håndtere nye klimaer på kort sigt, er de måske ikke i stand til at håndtere større ændringer over længere tid.”
Holde informationen i gang
Hjemmostatiske systemer kan primært have udviklet sig for at hjælpe organismer med at opretholde en optimal funktion i forskellige miljøer og situationer. Men ifølge et essay fra 2013 i tidsskriftet Trends in Ecology & Evolution teoretiserer nogle forskere, at homeostase først og fremmest giver en “stille baggrund” for celler, væv og organer til at kommunikere med hinanden. Teorien går ud fra, at homøostase gør det lettere for organismer at uddrage vigtig information fra omgivelserne og sende signaler mellem kropsdele.
Uanset dens evolutionære formål har homøostase præget forskningen inden for biovidenskab i næsten et århundrede. Selv om homøostatiske processer oftest diskuteres i forbindelse med dyrs fysiologi, gør de også planter i stand til at forvalte energidepoter, give næring til celler og reagere på miljømæssige udfordringer. Ud over biologi bruger samfundsvidenskab, kybernetik, datalogi og ingeniørvidenskab alle homeostase som en ramme for at forstå, hvordan mennesker og maskiner opretholder stabilitet på trods af forstyrrelser.