Homöostase ist die Fähigkeit, einen relativ stabilen inneren Zustand aufrechtzuerhalten, der trotz Veränderungen in der Außenwelt bestehen bleibt. Alle lebenden Organismen, von Pflanzen über Welpen bis hin zu Menschen, müssen ihre innere Umgebung regulieren, um Energie zu verarbeiten und letztlich zu überleben. Wenn zum Beispiel der Blutdruck in die Höhe schießt oder die Körpertemperatur sinkt, können die Organsysteme ihre Aufgaben nicht mehr erfüllen und versagen schließlich.
Warum Homöostase wichtig ist
Der Physiologe Walter Cannon prägte den Begriff „Homöostase“ in den 1920er Jahren und baute damit auf früheren Arbeiten des verstorbenen Physiologen Claude Bernard auf. In den 1870er Jahren beschrieb Bernard, wie komplexe Organismen das Gleichgewicht in ihrer inneren Umgebung, dem „milieu intérieur“, aufrechterhalten müssen, um in der Außenwelt ein „freies und unabhängiges Leben“ führen zu können. Cannon verfeinerte das Konzept und machte die Homöostase durch sein Buch „The Wisdom of the Body“ (The British Medical Journal, 1932) einem breiten Publikum bekannt.
Cannons grundlegende Definition der Homöostase wird auch heute noch verwendet und gilt als ein Kernstück der Physiologie. Der Begriff leitet sich von griechischen Wurzeln ab, die „ähnlich“ und „ein Zustand der Stabilität“ bedeuten. Die Vorsilbe „Homöo“ unterstreicht, dass die Homöostase nicht wie ein Thermostat oder ein Tempomat in einem Auto funktioniert, der auf eine bestimmte Temperatur oder Geschwindigkeit eingestellt ist. Stattdessen hält die Homöostase wichtige physiologische Faktoren innerhalb eines akzeptablen Wertebereichs, so ein Bericht in der Zeitschrift Appetite.
Der menschliche Körper reguliert zum Beispiel seine internen Konzentrationen von Wasserstoff, Kalzium, Kalium und Natrium, geladene Teilchen, auf die die Zellen für eine normale Funktion angewiesen sind. Homöostatische Prozesse sorgen auch für die Aufrechterhaltung des Wasser-, Sauerstoff-, pH- und Blutzuckerspiegels sowie der Körperkerntemperatur, heißt es in einer 2015 erschienenen Übersichtsarbeit in Advances in Physiology Education.
In gesunden Organismen laufen homöostatische Prozesse ständig und automatisch ab, so Scientific American. Oft arbeiten mehrere Systeme zusammen, um einen einzelnen physiologischen Faktor, wie die Körpertemperatur, konstant zu halten. Wenn diese Maßnahmen ins Stocken geraten oder versagen, kann ein Organismus erkranken oder sogar sterben.
Wie die Homöostase aufrechterhalten wird
Viele homöostatische Systeme lauschen auf Notsignale des Körpers, um zu wissen, wann Schlüsselvariablen aus ihrem angemessenen Bereich fallen. Das Nervensystem erkennt diese Abweichungen und meldet sie an ein Kontrollzentrum, das sich oft im Gehirn befindet. Das Kontrollzentrum weist dann Muskeln, Organe und Drüsen an, die Störung zu korrigieren. Dieser ständige Kreislauf von Störung und Anpassung wird laut dem Online-Lehrbuch Anatomie und Physiologie als „negative Rückkopplung“ bezeichnet.
Der menschliche Körper hält beispielsweise eine Kerntemperatur von etwa 37 Grad Celsius (98,6 Grad Fahrenheit) aufrecht. Bei Überhitzung schlagen Thermosensoren in der Haut und im Gehirn Alarm und lösen eine Kettenreaktion aus, die den Körper zum Schwitzen und zur Spülung veranlasst. Bei Abkühlung reagiert der Körper mit Zittern und verminderter Blutzirkulation in der Haut. In ähnlicher Weise signalisiert der Körper den Nieren, Wasser zu sparen und überschüssiges Salz in konzentriertem Urin auszuscheiden, wenn der Natriumspiegel in die Höhe schnellt, so zwei vom NIH finanzierte Studien.
Tiere passen ihr Verhalten auch als Reaktion auf negative Rückmeldungen an. Wenn wir zum Beispiel überhitzt sind, können wir eine Kleidungsschicht ablegen, in den Schatten gehen oder ein kaltes Glas Wasser trinken.
Moderne Modelle der Homöostase
Das Konzept der negativen Rückkopplung geht auf Cannons Beschreibung der Homöostase in den 1920er Jahren zurück und war die erste Erklärung dafür, wie die Homöostase funktioniert. In den letzten Jahrzehnten argumentieren jedoch viele Wissenschaftler, dass Organismen in der Lage sind, potenzielle Störungen der Homöostase zu antizipieren, anstatt erst im Nachhinein darauf zu reagieren.
Dieses alternative Modell der Homöostase, das als Allostase bezeichnet wird, impliziert, dass sich der ideale Sollwert für eine bestimmte Variable als Reaktion auf vorübergehende Umweltveränderungen verschieben kann, so ein Artikel aus dem Jahr 2015 in der Zeitschrift Psychological Review. Der Punkt kann sich unter dem Einfluss von zirkadianen Rhythmen, Menstruationszyklen oder täglichen Schwankungen der Körpertemperatur verschieben. Sollwerte können sich auch als Reaktion auf physiologische Phänomene wie Fieber ändern oder um mehrere gleichzeitig ablaufende homöostatische Prozesse auszugleichen, heißt es in einem 2015 erschienenen Artikel in Advances in Physiology Education.
„Die Sollwerte selbst sind nicht fest, sondern können eine adaptive Plastizität aufweisen“, so Art Woods, Biologe an der University of Montana in Missoula. „
In Erwartung einer Mahlzeit schüttet der Körper beispielsweise zusätzliches Insulin, Ghrelin und andere Hormone aus, wie eine 2007 in Appetite erschienene Studie zeigt. Diese präventive Maßnahme bereitet den Körper auf die ankommende Kalorienflut vor, anstatt darum zu ringen, den Blutzucker und die Energiespeicher zu kontrollieren.
Die Fähigkeit, Sollwerte zu verschieben, ermöglicht es Tieren, sich an kurzfristige Stressfaktoren anzupassen, aber sie können angesichts langfristiger Herausforderungen wie dem Klimawandel versagen.
„Die Aktivierung homöostatischer Reaktionssysteme kann für kurze Zeiträume gut sein“, so Woods. Aber sie sind nicht für eine lange Lebensdauer ausgelegt. „Homöostatische Systeme können katastrophal versagen, wenn sie zu stark beansprucht werden; obwohl sie also in der Lage sein können, kurzfristig mit einem neuen Klima umzugehen, sind sie möglicherweise nicht in der Lage, größere Veränderungen über längere Zeiträume zu bewältigen.“
Informationen im Fluss halten
Homeostatische Systeme haben sich möglicherweise in erster Linie entwickelt, um Organismen dabei zu helfen, in verschiedenen Umgebungen und Situationen optimal zu funktionieren. Laut einem Aufsatz aus dem Jahr 2013 in der Zeitschrift Trends in Ecology & Evolution stellen einige Wissenschaftler jedoch die Theorie auf, dass die Homöostase in erster Linie einen „ruhigen Hintergrund“ für die Kommunikation von Zellen, Geweben und Organen untereinander bietet. Die Theorie besagt, dass die Homöostase es den Organismen erleichtert, wichtige Informationen aus der Umwelt zu entnehmen und Signale zwischen Körperteilen auszutauschen.
Ungeachtet ihres evolutionären Zwecks hat die Homöostase die Forschung in den Biowissenschaften fast ein Jahrhundert lang geprägt. Obwohl sie meist im Kontext der Tierphysiologie erörtert wird, ermöglichen homöostatische Prozesse auch Pflanzen, ihre Energiespeicher zu verwalten, Zellen zu ernähren und auf Umweltprobleme zu reagieren. Neben der Biologie nutzen auch die Sozialwissenschaften, die Kybernetik, die Informatik und das Ingenieurwesen die Homöostase als Rahmen, um zu verstehen, wie Menschen und Maschinen trotz Störungen stabil bleiben.