Homeostaza to zdolność do utrzymania względnie stabilnego stanu wewnętrznego, który utrzymuje się pomimo zmian w świecie zewnętrznym. Wszystkie żywe organizmy, od roślin, przez szczenięta, po ludzi, muszą regulować swoje środowisko wewnętrzne, aby przetwarzać energię i ostatecznie przetrwać. Jeśli ciśnienie krwi gwałtownie wzrośnie lub temperatura ciała spadnie, na przykład, układy narządów mogą zmagać się z wykonywaniem swoich zadań i w końcu zawieść.
Dlaczego homeostaza jest ważna
Fizjolog Walter Cannon ukuł termin „homeostaza” w latach 20. ubiegłego wieku, rozwijając wcześniejszą pracę zmarłego fizjologa Claude’a Bernarda. W latach 70. XIX wieku Bernard opisał, jak złożone organizmy muszą utrzymywać równowagę w swoim środowisku wewnętrznym, czyli „milieu intérieur”, aby prowadzić „wolne i niezależne życie” w świecie zewnętrznym. Cannon udoskonalił tę koncepcję i wprowadził homeostazę do popularnych odbiorców poprzez swoją książkę „The Wisdom of the Body” (The British Medical Journal, 1932).
Uznana za podstawowe założenie fizjologii, podstawowa definicja homeostazy Cannona pozostaje w użyciu do dziś. Termin ten wywodzi się z greckich korzeni oznaczających „podobny” i „stan stabilności”. Przedrostek „homeo” podkreśla, że homeostaza nie działa jak termostat czy tempomat w samochodzie, ustalony na jedną dokładną temperaturę czy prędkość. Zamiast tego, homeostaza utrzymuje ważne czynniki fizjologiczne w dopuszczalnym zakresie wartości, zgodnie z przeglądem w czasopiśmie Appetite.
Ciało ludzkie, na przykład, reguluje swoje wewnętrzne stężenia wodoru, wapnia, potasu i sodu, naładowanych cząstek, że komórki polegają na dla normalnego funkcjonowania. Procesy homeostatyczne utrzymują również wodę, tlen, pH i poziom cukru we krwi, a także temperaturę ciała, zgodnie z przeglądem z 2015 roku w Advances in Physiology Education.
W zdrowych organizmach procesy homeostatyczne rozwijają się stale i automatycznie, zgodnie z Scientific American. Wiele systemów często pracują w tandemie, aby utrzymać stabilny pojedynczy czynnik fizjologiczny, jak temperatura ciała. Jeśli te środki słabną lub zawodzą, organizm może ulec chorobie, a nawet umrzeć.
Jak utrzymywana jest homeostaza
Wiele systemów homeostatycznych słucha sygnałów alarmowych z ciała, aby wiedzieć, kiedy kluczowe zmienne wypadają z odpowiedniego zakresu. System nerwowy wykrywa te odchylenia i raportuje z powrotem do centrum sterowania, często opartego w mózgu. Centrum sterowania następnie kieruje mięśnie, narządy i gruczoły, aby skorygować zakłócenia. Ciągła pętla zakłócenia i dostosowania jest znany jako „ujemne sprzężenie zwrotne”, zgodnie z podręcznikiem online Anatomia i fizjologia.
Na przykład, ciało ludzkie utrzymuje temperaturę rdzenia około 98,6 stopni Fahrenheita (37 stopni Celsjusza). Kiedy jest przegrzane, termosensory w skórze i mózgu uruchamiają alarm, inicjując reakcję łańcuchową, która kieruje ciało do pocenia się i spłukiwania. Kiedy ciało jest wychłodzone, reaguje dreszczami i zmniejsza ukrwienie skóry. Podobnie, gdy poziom sodu spike, ciało sygnalizuje nerki do zachowania wody i wydalania nadmiaru soli w skoncentrowanym moczu, według dwóch badań finansowanych przez NIH.
Zwierzęta będą również dostosować swoje zachowanie w odpowiedzi na negatywne sprzężenie zwrotne. Na przykład, kiedy jesteśmy przegrzani, możemy zrzucić warstwę ubrania, przenieść się do cienia lub wypić zimną szklankę wody.
Nowoczesne modele homeostazy
Koncepcja ujemnego sprzężenia zwrotnego pochodzi z opisu homeostazy Cannona w latach dwudziestych XX wieku i była pierwszym wyjaśnieniem tego, jak działa homeostaza. Ale w ostatnich dziesięcioleciach wielu naukowców twierdzi, że organizmy są w stanie przewidzieć potencjalne zakłócenia homeostazy, a nie tylko reagować na nie po fakcie.
Ten alternatywny model homeostazy, znany jako allostaza, zakłada, że idealny punkt ustawienia dla danej zmiennej może się przesunąć w odpowiedzi na przejściowe zmiany środowiskowe, zgodnie z artykułem z 2015 roku w Psychological Review. Punkt ten może przesunąć się pod wpływem rytmów okołodobowych, cykli menstruacyjnych lub dziennych wahań temperatury ciała. Punkty nastawcze mogą również zmieniać się w odpowiedzi na zjawiska fizjologiczne, takie jak gorączka, lub w celu skompensowania wielu procesów homeostatycznych zachodzących w tym samym czasie, zgodnie z przeglądem 2015 w Advances in Physiology Education.
„Same punkty nastawcze nie są stałe, ale mogą wykazywać plastyczność adaptacyjną”, powiedział Art Woods, biolog na University of Montana w Missoula. „Ten model pozwala na antycypacyjne odpowiedzi na nadchodzące potencjalne zakłócenia do punktów ustawienia.”
Na przykład, w oczekiwaniu na posiłek, ciało wydziela dodatkowe insuliny, greliny i innych hormonów, zgodnie z 2007 przeglądu w Appetite. Ten prewencyjny środek przygotowuje ciało na nadchodzącą powódź kalorii, zamiast zmagać się z kontrolą poziomu cukru we krwi i zapasów energii w jej następstwie.
Zdolność do zmiany punktów ustawienia pozwala zwierzętom przystosować się do krótkoterminowych stresorów, ale mogą one zawieść w obliczu długoterminowych wyzwań, takich jak zmiany klimatyczne.
„Aktywacja homeostatycznych systemów odpowiedzi może być dobra w krótkich okresach czasu”, powiedział Woods. Ale nie są one zaprojektowane, aby trwać przez długi czas. „Homeostatyczne systemy mogą zawieść katastrofalnie, jeśli są one popychane zbyt daleko; tak, chociaż systemy mogą być w stanie obsługiwać krótkoterminowe nowe klimaty, mogą nie być w stanie obsługiwać większe zmiany w dłuższych okresach czasu.”
Utrzymanie przepływu informacji
Systemy homeostatyczne mogły przede wszystkim wyewoluować, aby pomóc organizmom utrzymać optymalne funkcjonowanie w różnych środowiskach i sytuacjach. Ale, zgodnie z 2013 esej w czasopiśmie Trends in Ecology & Evolution, niektórzy naukowcy teoretyzują, że homeostaza przede wszystkim zapewnia „ciche tło” dla komórek, tkanek i narządów, aby komunikować się ze sobą. Teoria ta zakłada, że homeostaza ułatwia organizmom wydobywanie ważnych informacji ze środowiska i przekazywanie sygnałów między częściami ciała.
Bez względu na jej ewolucyjny cel, homeostaza kształtowała badania w naukach przyrodniczych przez prawie sto lat. Choć najczęściej omawiana w kontekście fizjologii zwierząt, procesy homeostatyczne umożliwiają również roślinom zarządzanie zapasami energii, odżywianie komórek i reagowanie na wyzwania środowiskowe. Poza biologią, nauki społeczne, cybernetyka, informatyka i inżynieria wykorzystują homeostazę jako ramy do zrozumienia, w jaki sposób ludzie i maszyny utrzymują stabilność pomimo zakłóceń.
.