A homeosztázis egy viszonylag stabil belső állapot fenntartásának képessége, amely a külvilág változásai ellenére is fennmarad. Minden élő szervezetnek, a növényektől a kölyökkutyákon át az emberekig, szabályoznia kell belső környezetét az energia feldolgozásához és végső soron a túléléshez. Ha például a vérnyomásunk az egekbe szökik, vagy a testhőmérsékletünk lezuhan, a szervrendszereink nehezen tudják ellátni a feladatukat, és végül összeomlanak.
Miért fontos a homeosztázis
Walter Cannon fiziológus alkotta meg a “homeosztázis” kifejezést az 1920-as években, Claude Bernard néhai fiziológus korábbi munkáját kibővítve. Bernard az 1870-es években leírta, hogy az összetett szervezeteknek hogyan kell fenntartaniuk belső környezetük, a “milieu intérieur” egyensúlyát ahhoz, hogy a külvilágban “szabad és független életet” élhessenek. Cannon továbbfejlesztette ezt a koncepciót, és “The Wisdom of the Body” (A test bölcsessége) című könyvével (The British Medical Journal, 1932) megismertette a homeosztázist a népszerű közönséggel.
A fiziológia alaptételeként üdvözölt Cannon alapvető meghatározása a homeosztázisról ma is használatos. A kifejezés görög gyökerekből származik, jelentése “hasonló” és “stabilitás állapota”. A “homeo” előtag azt hangsúlyozza, hogy a homeosztázis nem úgy működik, mint a termosztát vagy a sebességtartó automatika egy autóban, amely egy pontos hőmérsékleten vagy sebességen van rögzítve. Ehelyett a homeosztázis fontos élettani tényezőket tart egy elfogadható értéktartományon belül, az Appetite című folyóiratban megjelent áttekintés szerint.
Az emberi szervezet például szabályozza a hidrogén, kalcium, kálium és nátrium belső koncentrációját, olyan töltött részecskéket, amelyekre a sejtek a normális működéshez támaszkodnak. A homeosztatikus folyamatok fenntartják a víz-, oxigén-, pH- és vércukorszintet, valamint a testmaghőmérsékletet is – olvasható az Advances in Physiology Education című folyóiratban 2015-ben megjelent áttekintésben.
A Scientific American szerint az egészséges szervezetekben a homeosztatikus folyamatok folyamatosan és automatikusan bontakoznak ki. Gyakran több rendszer dolgozik együtt, hogy egy-egy élettani tényezőt, például a testhőmérsékletet stabilan tartsa. Ha ezek az intézkedések megbicsaklanak vagy kudarcot vallanak, a szervezet betegségnek vagy akár halálnak is áldozatul eshet.
Hogyan tartjuk fenn a homeosztázist
Néhány homeosztatikus rendszer figyeli a szervezet vészjelzéseit, hogy tudja, ha a kulcsfontosságú változók kiesnek a megfelelő tartományból. Az idegrendszer érzékeli ezeket az eltéréseket, és jelentést tesz egy – gyakran az agyban található – irányítóközpontnak. Az irányítóközpont ezután az izmokat, szerveket és mirigyeket irányítja, hogy korrigálják a zavart. A zavar és a kiigazítás folyamatos hurkát “negatív visszacsatolásnak” nevezik az Anatómia és élettan című online tankönyv szerint.
Az emberi test például körülbelül 98,6 Fahrenheit-fok (37 Celsius-fok) maghőmérsékletet tart fenn. Túlmelegedéskor a bőrben és az agyban lévő hőérzékelők riasztást adnak, és elindítanak egy láncreakciót, amely a testet izzadásra és öblítésre utasítja. Ha lehűl, a test dideregéssel reagál, és csökkenti a bőr vérkeringését. Hasonlóképpen, amikor a nátriumszint megugrik, a szervezet jelzi a veséknek, hogy takarékoskodjanak a vízzel, és a felesleges sót koncentrált vizelettel ürítsék ki – derül ki két NIH által finanszírozott tanulmányból.
Az állatok a negatív visszajelzésekre reagálva is módosítják viselkedésüket. Ha például túlmelegszünk, levetünk egy réteg ruhát, árnyékba vonulunk, vagy iszunk egy pohár hideg vizet.
A homeosztázis modern modelljei
A negatív visszacsatolás fogalma Cannon 1920-as évekbeli leírásáig nyúlik vissza, és ez volt az első magyarázat a homeosztázis működésére. Az utóbbi évtizedekben azonban számos tudós azzal érvel, hogy a szervezetek képesek előre jelezni a homeosztázis potenciális zavarát, ahelyett, hogy csak utólag reagálnának rá.
A homeosztázisnak ez az alternatív modellje, az úgynevezett allosztázis azt feltételezi, hogy egy adott változó ideális beállítási pontja eltolódhat az átmeneti környezeti változások hatására – olvasható a Psychological Review 2015-ös cikkében. A pont eltolódhat a cirkadián ritmus, a menstruációs ciklusok vagy a testhőmérséklet napi ingadozásának hatására. A set pointok változhatnak fiziológiai jelenségekre, például lázra adott válaszként is, vagy az egyidejűleg zajló több homeosztatikus folyamat kompenzálására – olvasható az Advances in Physiology Education című folyóiratban 2015-ben megjelent áttekintésben.
“Maguk a set pointok nem fixek, hanem adaptív plaszticitást mutathatnak” – mondta Art Woods, a Missoulában található Montana Egyetem biológusa. “Ez a modell lehetővé teszi az anticipatív válaszokat a beállított pontok közelgő potenciális zavaraira.”
Az étkezést megelőzve például a szervezet extra inzulint, ghrelint és más hormonokat választ ki – olvasható az Appetite című szaklapban 2007-ben megjelent áttekintésben. Ez a megelőző intézkedés felkészíti a szervezetet a beérkező kalóriaáradatra, ahelyett, hogy a vércukorszint és az energiaraktárak szabályozásával birkózna annak nyomán.
A beállítási pontok eltolásának képessége lehetővé teszi az állatok számára, hogy alkalmazkodjanak a rövid távú stresszorokhoz, de a hosszú távú kihívásokkal, például az éghajlatváltozással szemben kudarcot vallhatnak.
“A homeosztatikus válaszrendszerek aktiválása rövid ideig jó lehet” – mondta Woods. De nem arra tervezték őket, hogy hosszú ideig fennmaradjanak. “A homeosztatikus rendszerek katasztrofálisan meghibásodhatnak, ha túlságosan kitoljuk őket; így, bár a rendszerek képesek lehetnek kezelni a rövid távú újszerű éghajlatot, nem biztos, hogy képesek kezelni a nagyobb változásokat hosszabb időn keresztül.”
Az információ áramlásának fenntartása
A homeosztatikus rendszerek elsősorban azért fejlődhettek ki, hogy segítsék a szervezeteket az optimális működés fenntartásában a különböző környezetekben és helyzetekben. A Trends in Ecology & Evolution című folyóiratban megjelent 2013-as esszé szerint azonban egyes tudósok elmélete szerint a homeosztázis elsősorban a sejtek, szövetek és szervek számára biztosít “csendes hátteret” az egymással való kommunikációhoz. Az elmélet szerint a homeosztázis megkönnyíti a szervezeteknek, hogy fontos információkat nyerjenek a környezetből és jeleket továbbítsanak a testrészek között.
Evolúciós céljától függetlenül a homeosztázis közel egy évszázada meghatározza az élettudományok kutatását. Bár többnyire az állati fiziológiával összefüggésben tárgyalják, a homeosztatikus folyamatok a növények számára is lehetővé teszik az energiaraktárak kezelését, a sejtek táplálását és a környezeti kihívásokra való reagálást. A biológián túl a társadalomtudományok, a kibernetika, az informatika és a mérnöki tudományok mind a homeosztázist használják keretként annak megértéséhez, hogy az emberek és a gépek hogyan tartják fenn a stabilitást a zavarok ellenére.