Homeostas är förmågan att upprätthålla ett relativt stabilt inre tillstånd som består trots förändringar i omvärlden. Alla levande organismer, från växter till valpar och människor, måste reglera sin inre miljö för att bearbeta energi och i slutändan överleva. Om ditt blodtryck skjuter i höjden eller kroppstemperaturen sjunker, till exempel, kan dina organsystem få svårt att utföra sina uppgifter och till slut misslyckas.
Varför homeostas är viktigt
Fysiologen Walter Cannon myntade begreppet ”homeostas” på 1920-talet, och utökade därmed tidigare arbeten som utförts av den framlidne fysiologen Claude Bernard. På 1870-talet beskrev Bernard hur komplexa organismer måste upprätthålla balansen i sin inre miljö, eller ”milieu intérieur”, för att kunna leva ett ”fritt och självständigt liv” i den yttre världen. Cannon finslipade konceptet och introducerade homeostas för en populär publik genom sin bok ”The Wisdom of the Body” (The British Medical Journal, 1932).
Cannons grundläggande definition av homeostas, som hyllades som en av fysiologins grundsatser, används fortfarande i dag. Termen härstammar från grekiska rötter som betyder ”liknande” och ”ett stabilt tillstånd”. Prefixet ”homeo” betonar att homeostas inte fungerar som en termostat eller en farthållare i en bil, fixerad vid en exakt temperatur eller hastighet. I stället håller homeostas viktiga fysiologiska faktorer inom ett acceptabelt intervall av värden, enligt en genomgång i tidskriften Appetite.
Den mänskliga kroppen reglerar till exempel sina interna koncentrationer av väte, kalcium, kalium och natrium, laddade partiklar som cellerna är beroende av för att fungera normalt. Homeostatiska processer upprätthåller också vatten-, syre-, pH- och blodsockernivåer samt kroppens kärntemperatur, enligt en översikt från 2015 i Advances in Physiology Education.
I friska organismer utvecklas homeostatiska processer ständigt och automatiskt, enligt Scientific American. Flera system arbetar ofta tillsammans för att hålla en enda fysiologisk faktor, t.ex. kroppstemperaturen, stabil. Om dessa åtgärder vacklar eller misslyckas kan en organism drabbas av sjukdom eller till och med dö.
Hur homeostas upprätthålls
Många homeostatiska system lyssnar efter nödsignaler från kroppen för att veta när nyckelvariabler faller utanför sitt lämpliga intervall. Nervsystemet upptäcker dessa avvikelser och rapporterar till en kontrollcentral, ofta baserad i hjärnan. Kontrollcentret styr sedan muskler, organ och körtlar för att korrigera störningen. Den kontinuerliga slingan av störning och justering kallas ”negativ återkoppling”, enligt läroboken Anatomy and Physiology på nätet.
Den mänskliga kroppen upprätthåller till exempel en kärntemperatur på cirka 98,6 grader Fahrenheit (37 grader Celsius). Vid överhettning slår termosensorer i huden och hjärnan larm och startar en kedjereaktion som får kroppen att svettas och spola. Vid nedkylning reagerar kroppen genom att darra och minska blodcirkulationen till huden. På samma sätt signalerar kroppen till njurarna att de ska spara vatten och släppa ut överflödigt salt i koncentrerad urin när natriumnivåerna stiger, enligt två NIH-finansierade studier.
Djur anpassar också sitt beteende som svar på negativ återkoppling. När vi är överhettade kan vi till exempel ta av oss ett lager kläder, flytta in i skuggan eller dricka ett kallt glas vatten.
Moderna modeller för homeostas
Begreppet negativ återkoppling går tillbaka till Cannons beskrivning av homeostas på 1920-talet, och var den första förklaringen till hur homeostas fungerar. Men under de senaste decennierna har många forskare hävdat att organismer kan förutse potentiella störningar i homeostasen, snarare än att bara reagera på dem i efterhand.
Denna alternativa modell för homeostas, känd som allostas, innebär att den ideala inställningen för en viss variabel kan förskjutas som svar på övergående miljöförändringar, enligt en artikel från 2015 i Psychological Review. Punkten kan förskjutas under inflytande av cirkadiska rytmer, menstruationscykler eller dagliga fluktuationer i kroppstemperaturen. Setpunkterna kan också förändras som svar på fysiologiska fenomen, som feber, eller för att kompensera för flera homeostatiska processer som äger rum samtidigt, enligt en granskning från 2015 i Advances in Physiology Education.
”Setpunkterna i sig är inte fasta utan kan uppvisa adaptiv plasticitet”, säger Art Woods, biolog vid University of Montana i Missoula. ”Den här modellen möjliggör förutseende reaktioner på kommande potentiella störningar av inställningsvärdena.”
I väntan på en måltid utsöndrar kroppen till exempel extra mycket insulin, ghrelin och andra hormoner, enligt en översikt från 2007 i Appetite. Denna förebyggande åtgärd förbereder kroppen för den inkommande flödet av kalorier, i stället för att brottas med att kontrollera blodsockret och energidepåerna i dess kölvatten.
Förmågan att förskjuta inställda punkter gör det möjligt för djuren att anpassa sig till kortsiktiga stressfaktorer, men de kan misslyckas när de ställs inför långsiktiga utmaningar, t.ex. klimatförändringar.
”Det kan vara bra att aktivera homeostatiska responssystem under kortare tidsperioder”, säger Woods. Men de är inte utformade för att hålla i längden. ”Homeostatiska system kan misslyckas katastrofalt om de pressas för långt; så även om systemen kan hantera nya klimat på kort sikt kan de kanske inte hantera större förändringar under längre tidsperioder.”
Att hålla informationen flytande
Homeostatiska system kan i första hand ha utvecklats för att hjälpa organismer att upprätthålla optimal funktion i olika miljöer och situationer. Men enligt en uppsats från 2013 i tidskriften Trends in Ecology & Evolution, har vissa forskare en teori om att homeostas främst ger en ”tyst bakgrund” för celler, vävnader och organ att kommunicera med varandra. Enligt teorin gör homeostas det lättare för organismer att hämta viktig information från omgivningen och förmedla signaler mellan kroppsdelar.
Oavsett dess evolutionära syfte har homeostas präglat forskningen inom biovetenskaperna i nästan ett sekel. Även om homeostatiska processer oftast diskuteras i samband med djurfysiologi, gör de det också möjligt för växter att hantera energidepåer, ge cellerna näring och reagera på miljöproblem. Utöver biologin använder samhällsvetenskap, cybernetik, datavetenskap och ingenjörskonst homeostas som en ram för att förstå hur människor och maskiner upprätthåller stabilitet trots störningar.