Homeostaasi on kyky ylläpitää suhteellisen vakaata sisäistä tilaa, joka säilyy ulkoisen maailman muutoksista huolimatta. Kaikkien elävien organismien, kasveista koiranpentuihin ja ihmisiin, on säädeltävä sisäistä ympäristöään prosessoidakseen energiaa ja lopulta selviytyäkseen. Jos esimerkiksi verenpaineesi nousee tai ruumiinlämpösi laskee, elinjärjestelmilläsi voi olla vaikeuksia suoriutua tehtävistään ja lopulta ne voivat pettää.
Miksi homeostaasi on tärkeä
Fysiologi Walter Cannon keksi termin ”homeostaasi” 1920-luvulla laajentaen edesmenneen fysiologin Claude Bernardin aiempaa työtä. Bernard kuvasi 1870-luvulla, miten monimutkaisten organismien on säilytettävä tasapaino sisäisessä ympäristössään eli ”milieu intérieurissä” voidakseen elää ”vapaata ja itsenäistä elämää” tuonpuoleisessa maailmassa. Cannon hioi käsitettä ja esitteli homeostaasin suurelle yleisölle kirjassaan ”The Wisdom of the Body” (The British Medical Journal, 1932).
Cannonin homeostaasin perusmääritelmä, jota pidetään fysiologian keskeisenä periaatteena, on edelleen käytössä. Termi juontuu kreikkalaisista juurista, jotka tarkoittavat ”samanlaista” ja ”vakauden tilaa”. Etuliite ”homeo” korostaa, että homeostaasi ei toimi kuten termostaatti tai auton vakionopeudensäädin, joka on kiinteä yhteen täsmälliseen lämpötilaan tai nopeuteen. Sen sijaan homeostaasi pitää tärkeät fysiologiset tekijät hyväksyttävällä arvoalueella, todetaan Appetite-lehdessä julkaistussa katsauksessa.
Ihmiskeho esimerkiksi säätelee sisäisiä vety-, kalsium-, kalium- ja natriumpitoisuuksiaan, jotka ovat varattuja hiukkasia, joihin solut tukeutuvat normaalin toiminnan kannalta. Homeostaattiset prosessit ylläpitävät myös vesi-, happi-, pH- ja verensokeritasoja sekä kehon sisälämpötilaa, Advances in Physiology Education -lehdessä vuonna 2015 julkaistun katsauksen mukaan.
Terveissä eliöissä homeostaattiset prosessit avautuvat jatkuvasti ja automaattisesti, Scientific Americanin mukaan. Useat järjestelmät toimivat usein yhdessä pitääkseen yhden fysiologisen tekijän, kuten kehon lämpötilan, vakaana. Jos nämä toimenpiteet horjuvat tai epäonnistuvat, organismi voi sortua sairauteen tai jopa kuolemaan.
Miten homeostaasia ylläpidetään
Monet homeostaattiset järjestelmät kuuntelevat elimistöltä tulevia hätäsignaaleja, jotta ne tietävät, milloin keskeiset muuttujat putoavat pois sopivalta alueelta. Hermosto havaitsee nämä poikkeamat ja raportoi niistä valvontakeskukseen, joka sijaitsee usein aivoissa. Ohjauskeskus ohjaa sitten lihaksia, elimiä ja rauhasia korjaamaan häiriön. Jatkuvaa häiriön ja säätämisen silmukkaa kutsutaan ”negatiiviseksi takaisinkytkennäksi” Anatomia ja fysiologia -verkko-oppikirjan mukaan.
Ihmiskehon ydinlämpötila on esimerkiksi noin 98,6 Fahrenheit-astetta (37 celsiusastetta). Ylikuumentuessaan ihossa ja aivoissa olevat lämpöanturit hälyttävät ja käynnistävät ketjureaktion, joka ohjaa kehoa hikoilemaan ja huuhtelemaan. Kun keho jäähtyy, se reagoi tärisemällä ja vähentämällä ihon verenkiertoa. Vastaavasti, kun natriumpitoisuus nousee, elimistö viestittää munuaisille, että ne säästävät vettä ja poistavat ylimääräisen suolan konsentroituneena virtsana, kuten kahdessa NIH:n rahoittamassa tutkimuksessa todettiin.
Lemmikkieläimet sopeuttavat käyttäytymistään myös vastauksena negatiiviseen palautteeseen. Esimerkiksi ylikuumentuessamme saatamme riisua vaatekerroksen, siirtyä varjoon tai juoda kylmän lasillisen vettä.
Nykyaikaiset homeostaasin mallit
Negatiivisen palautteen käsite juontaa juurensa Cannonin 1920-luvulla laatimaan kuvaukseen homeostaasista, ja se oli ensimmäinen selitys siitä, miten homeostaasi toimii. Viime vuosikymmeninä monet tutkijat ovat kuitenkin väittäneet, että eliöt pystyvät ennakoimaan homeostaasin mahdollisia häiriöitä sen sijaan, että ne reagoivat niihin vasta jälkikäteen.
Tämä vaihtoehtoinen homeostaasin malli, jota kutsutaan nimellä allostaasi, viittaa siihen, että tietyn muuttujan ihanteellinen asetuspiste voi muuttua vasteena ohimeneville ympäristömuutoksille, todetaan Psychological Review -lehdessä vuonna 2015 julkaistussa artikkelissa. Piste voi siirtyä vuorokausirytmin, kuukautiskierron tai ruumiinlämmön päivittäisten vaihteluiden vaikutuksesta. Asetuspisteet voivat muuttua myös vasteena fysiologisiin ilmiöihin, kuten kuumeeseen, tai kompensoimaan samanaikaisesti tapahtuvia useita homeostaattisia prosesseja, Advances in Physiology Education -lehdessä vuonna 2015 julkaistun katsauksen mukaan.
”Asetuspisteet itsessään eivät ole kiinteitä, vaan niissä voi esiintyä adaptiivista muovautuvuutta”, sanoo Missoulassa sijaitsevassa Montanan yliopistossa työskentelevä biologi Art Woods. ”Tämä malli mahdollistaa ennakoivat reaktiot set-pisteiden tuleviin mahdollisiin häiriöihin.”
Esimerkiksi ateriaa odotellessa elimistö erittää ylimääräistä insuliinia, greliiniä ja muita hormoneja Appetite-lehdessä vuonna 2007 julkaistun katsauksen mukaan. Tämä ennaltaehkäisevä toimenpide valmistelee elimistöä saapuvaan kaloritulvaan sen sijaan, että se painiskelisi verensokerin ja energiavarastojen hallitsemiseksi sen vanavedessä.
Kyky siirtää asetuspisteitä antaa eläimille mahdollisuuden sopeutua lyhytaikaisiin stressitekijöihin, mutta ne voivat epäonnistua pitkäaikaisten haasteiden, kuten ilmastonmuutoksen, edessä.
”Homeostaattisten reaktiojärjestelmien aktivoiminen voi olla hienoa lyhyitä ajanjaksoja varten”
, Woods sanoo. Mutta niitä ei ole suunniteltu kestämään pitkään. ”Homeostaattiset järjestelmät voivat pettää katastrofaalisesti, jos niitä työnnetään liian pitkälle; joten vaikka järjestelmät voivat selviytyä lähitulevaisuuden uudenlaisista ilmasto-olosuhteista, ne eivät välttämättä pysty selviytymään suuremmista muutoksista pidemmällä aikavälillä.”
Tiedonkulun ylläpitäminen
Homeostaattiset järjestelmät ovat saattaneet kehittyä ensisijaisesti auttamaan eliöitä ylläpitämään optimaalista toimintaa erilaisissa ympäristöissä ja tilanteissa. Mutta Trends in Ecology & Evolution -lehdessä vuonna 2013 julkaistun kirjoituksen mukaan & jotkut tutkijat teoretisoivat, että homeostaasi tarjoaa ensisijaisesti ”hiljaisen taustan” soluille, kudoksille ja elimille, jotta ne voivat kommunikoida keskenään. Teorian mukaan homeostaasi helpottaa eliöitä poimimaan tärkeää tietoa ympäristöstä ja siirtämään signaaleja ruumiinosien välillä.
Evolutiivisesta tarkoituksestaan riippumatta homeostaasi on muovannut biotieteiden tutkimusta lähes vuosisadan ajan. Vaikka homeostaattisista prosesseista keskustellaan useimmiten eläinten fysiologian yhteydessä, niiden avulla myös kasvit pystyvät hallitsemaan energiavarastoja, ravitsemaan soluja ja vastaamaan ympäristön haasteisiin. Biologian lisäksi yhteiskuntatieteet, kybernetiikka, tietojenkäsittelytiede ja insinööritieteet käyttävät kaikki homeostaasia kehyksenä ymmärtääkseen, miten ihmiset ja koneet säilyttävät vakauden häiriöistä huolimatta.