Cos’è l’omeostasi?

L’omeostasi è la capacità di mantenere uno stato interno relativamente stabile che persiste nonostante i cambiamenti nel mondo esterno. Tutti gli organismi viventi, dalle piante ai cuccioli alle persone, devono regolare il loro ambiente interno per elaborare l’energia e alla fine sopravvivere. Se la pressione sanguigna sale alle stelle o la temperatura corporea precipita, per esempio, i sistemi degli organi possono lottare per fare il loro lavoro e alla fine fallire.

Perché l’omeostasi è importante

Il fisiologo Walter Cannon ha coniato il termine “omeostasi” negli anni 20, espandendo il lavoro precedente del tardo fisiologo Claude Bernard. Negli anni 1870, Bernard ha descritto come gli organismi complessi devono mantenere l’equilibrio nel loro ambiente interno, o “milieu intérieur”, per poter condurre una “vita libera e indipendente” nel mondo esterno. Cannon affinò il concetto e introdusse l’omeostasi al pubblico popolare attraverso il suo libro “The Wisdom of the Body” (The British Medical Journal, 1932).

Salutato come un principio fondamentale della fisiologia, la definizione di base di Cannon di omeostasi rimane in uso oggi. Il termine deriva da radici greche che significano “simile” e “uno stato di stabilità”. Il prefisso “homeo” sottolinea che l’omeostasi non funziona come un termostato o il cruise control di un’auto, fissato a una temperatura o velocità precisa. Invece, l’omeostasi mantiene importanti fattori fisiologici all’interno di una gamma di valori accettabili, secondo una revisione nella rivista Appetite.

Il corpo umano, per esempio, regola le sue concentrazioni interne di idrogeno, calcio, potassio e sodio, particelle cariche su cui le cellule fanno affidamento per il normale funzionamento. I processi omeostatici mantengono anche i livelli di acqua, ossigeno, pH e zucchero nel sangue, così come la temperatura corporea, secondo una revisione del 2015 in Advances in Physiology Education.

In organismi sani, i processi omeostatici si svolgono costantemente e automaticamente, secondo Scientific American. Più sistemi spesso lavorano in tandem per mantenere stabile un singolo fattore fisiologico, come la temperatura corporea. Se queste misure vacillano o falliscono, un organismo può soccombere alla malattia o addirittura alla morte.

Come viene mantenuta l’omeostasi

Molti sistemi omeostatici ascoltano i segnali di pericolo dal corpo per sapere quando le variabili chiave escono dal loro range appropriato. Il sistema nervoso rileva queste deviazioni e le riporta a un centro di controllo, spesso basato nel cervello. Il centro di controllo poi dirige i muscoli, gli organi e le ghiandole per correggere il disturbo. Il ciclo continuo di disturbo e regolazione è noto come “feedback negativo”, secondo il libro di testo online Anatomy and Physiology.

Per esempio, il corpo umano mantiene una temperatura interna di circa 98,6 gradi Fahrenheit (37 gradi Celsius). Quando si surriscalda, i termosensori nella pelle e nel cervello suonano un allarme, iniziando una reazione a catena che dirige il corpo a sudare e a sciacquarsi. Quando si raffredda, il corpo risponde rabbrividendo e riducendo la circolazione del sangue alla pelle. Allo stesso modo, quando i livelli di sodio aumentano, il corpo segnala ai reni di conservare l’acqua ed espellere il sale in eccesso nelle urine concentrate, secondo due studi finanziati dal NIH.

Animali anche regolare il loro comportamento in risposta al feedback negativo. Per esempio, quando si è surriscaldati, possiamo liberarci di uno strato di vestiti, spostarci all’ombra o bere un bicchiere d’acqua fredda.

Modelli moderni di omeostasi

Il concetto di feedback negativo risale alla descrizione di Cannon dell’omeostasi negli anni 20, ed è stata la prima spiegazione di come funziona l’omeostasi. Ma negli ultimi decenni, molti scienziati sostengono che gli organismi sono in grado di anticipare potenziali interruzioni dell’omeostasi, piuttosto che reagire ad esse solo dopo il fatto.

Questo modello alternativo di omeostasi, noto come allostasi, implica che il set point ideale per una particolare variabile può cambiare in risposta a cambiamenti ambientali transitori, secondo un articolo del 2015 su Psychological Review. Il punto può spostarsi sotto l’influenza dei ritmi circadiani, dei cicli mestruali o delle fluttuazioni giornaliere della temperatura corporea. I set point possono anche cambiare in risposta a fenomeni fisiologici, come la febbre, o per compensare più processi omeostatici che hanno luogo allo stesso tempo, secondo una revisione del 2015 in Advances in Physiology Education.

“I set point stessi non sono fissi ma possono mostrare plasticità adattiva”, ha detto Art Woods, un biologo dell’Università del Montana a Missoula. “Questo modello permette di dare risposte anticipate a potenziali disturbi imminenti dei set point”.

Per esempio, in previsione di un pasto, il corpo secerne insulina extra, grelina e altri ormoni, secondo una recensione del 2007 su Appetite. Questa misura preventiva prepara il corpo per l’inondazione di calorie in arrivo, piuttosto che lottare per controllare lo zucchero nel sangue e le riserve di energia nella sua scia.

La capacità di spostare i set point permette agli animali di adattarsi a fattori di stress a breve termine, ma possono fallire di fronte alle sfide a lungo termine, come il cambiamento climatico.

“Attivare i sistemi di risposta omeostatica può andare bene per brevi periodi di tempo”, ha detto Woods. Ma non sono progettati per durare a lungo. “I sistemi omeostatici possono fallire catastroficamente se vengono spinti troppo lontano; così, anche se i sistemi possono essere in grado di gestire nuovi climi a breve termine, potrebbero non essere in grado di gestire cambiamenti più grandi per periodi di tempo più lunghi.”

Mantenere il flusso di informazioni

I sistemi omeostatici possono essersi evoluti principalmente per aiutare gli organismi a mantenere una funzione ottimale in diversi ambienti e situazioni. Ma, secondo un saggio del 2013 sulla rivista Trends in Ecology & Evolution, alcuni scienziati teorizzano che l’omeostasi fornisce principalmente uno “sfondo tranquillo” per cellule, tessuti e organi per comunicare tra loro. La teoria postula che l’omeostasi renda più facile per gli organismi estrarre informazioni importanti dall’ambiente e trasmettere segnali tra le parti del corpo.

A prescindere dal suo scopo evolutivo, l’omeostasi ha plasmato la ricerca nelle scienze della vita per quasi un secolo. Anche se per lo più discusso nel contesto della fisiologia animale, i processi omeostatici permettono anche alle piante di gestire le riserve di energia, nutrire le cellule e rispondere alle sfide ambientali. Oltre alla biologia, le scienze sociali, la cibernetica, l’informatica e l’ingegneria usano l’omeostasi come quadro di riferimento per capire come le persone e le macchine mantengono la stabilità nonostante le interruzioni.