Wat is homeostase?

Homeostase is het vermogen om een relatief stabiele interne toestand te handhaven die blijft bestaan ondanks veranderingen in de buitenwereld. Alle levende organismen, van planten tot puppy’s tot mensen, moeten hun interne omgeving reguleren om energie te verwerken en uiteindelijk te overleven. Als bijvoorbeeld uw bloeddruk omhoog schiet of uw lichaamstemperatuur keldert, kunnen uw orgaansystemen moeite hebben om hun werk te doen en uiteindelijk falen.

Waarom homeostase belangrijk is

Fysioloog Walter Cannon bedacht de term “homeostase” in de jaren twintig van de vorige eeuw, voortbordurend op eerder werk van wijlen fysioloog Claude Bernard. In de jaren 1870 beschreef Bernard hoe complexe organismen hun interne omgeving, of “milieu intérieur”, in evenwicht moeten houden om een “vrij en onafhankelijk leven” te kunnen leiden in de wereld daarbuiten. Cannon verfijnde het concept en introduceerde homeostase bij een populair publiek door middel van zijn boek, “The Wisdom of the Body” (The British Medical Journal, 1932).

Geprezen als een kernbeginsel van de fysiologie, is Cannon’s basisdefinitie van homeostase vandaag de dag nog steeds in gebruik. De term is afgeleid van Griekse wortels die “gelijk” en “een toestand van stabiliteit” betekenen. Het voorvoegsel “homeo” benadrukt dat homeostase niet werkt zoals een thermostaat of een cruise control in een auto, vast ingesteld op één precieze temperatuur of snelheid. In plaats daarvan houdt homeostase belangrijke fysiologische factoren binnen een acceptabel waardenbereik, aldus een review in het tijdschrift Appetite.

Het menselijk lichaam regelt bijvoorbeeld de interne concentraties van waterstof, calcium, kalium en natrium, geladen deeltjes waar cellen op vertrouwen voor een normale functie. Homeostatische processen houden ook het water-, zuurstof-, pH- en bloedsuikerniveau op peil, evenals de kerntemperatuur van het lichaam, volgens een review uit 2015 in Advances in Physiology Education.

In gezonde organismen ontvouwen homeostatische processen zich voortdurend en automatisch, aldus Scientific American. Meerdere systemen werken vaak samen om één fysiologische factor, zoals de lichaamstemperatuur, op peil te houden. Als deze maatregelen haperen of falen, kan een organisme bezwijken aan ziekte of zelfs de dood.

Hoe homeostase wordt gehandhaafd

Veel homeostatische systemen luisteren naar noodsignalen van het lichaam om te weten wanneer belangrijke variabelen buiten hun juiste bereik vallen. Het zenuwstelsel detecteert deze afwijkingen en rapporteert terug aan een controlecentrum, dat zich vaak in de hersenen bevindt. Het controlecentrum stuurt vervolgens spieren, organen en klieren aan om de verstoring te corrigeren. De voortdurende lus van verstoring en aanpassing staat bekend als “negatieve terugkoppeling”, aldus het online leerboek Anatomie en Fysiologie.

Het menselijk lichaam handhaaft bijvoorbeeld een kerntemperatuur van ongeveer 98,6 graden Fahrenheit (37 graden Celsius). Bij oververhitting slaan thermosensoren in de huid en de hersenen alarm, waardoor een kettingreactie in gang wordt gezet die het lichaam aanzet tot zweten en spoelen. Als het afkoelt, reageert het lichaam met rillingen en vermindert de bloedcirculatie naar de huid. Evenzo geeft het lichaam bij een natriumniveau een signaal aan de nieren om water te sparen en overtollig zout in geconcentreerde urine af te voeren, zo blijkt uit twee door het NIH gefinancierde studies.

Dieren passen ook hun gedrag aan als reactie op negatieve feedback. Bij oververhitting kunnen we bijvoorbeeld een laag kleding uittrekken, de schaduw opzoeken of een koud glas water drinken.

Moderne modellen van homeostase

Het concept van negatieve terugkoppeling stamt uit Cannons beschrijving van homeostase in de jaren twintig van de vorige eeuw, en was de eerste verklaring van hoe homeostase werkt. Maar in de afgelopen decennia hebben veel wetenschappers betoogd dat organismen in staat zijn om te anticiperen op potentiële verstoringen van de homeostase, in plaats van er pas achteraf op te reageren.

Dit alternatieve model van homeostase, bekend als allostase, houdt in dat het ideale setpoint voor een bepaalde variabele kan verschuiven in reactie op voorbijgaande veranderingen in de omgeving, volgens een artikel uit 2015 in Psychological Review. Het punt kan verschuiven onder invloed van circadiane ritmes, menstruatiecycli of dagelijkse schommelingen in lichaamstemperatuur. Set points kunnen ook veranderen in reactie op fysiologische verschijnselen, zoals koorts, of om te compenseren voor meerdere homeostatische processen die tegelijkertijd plaatsvinden, volgens een review uit 2015 in Advances in Physiology Education.

“De set points zelf liggen niet vast, maar kunnen adaptieve plasticiteit vertonen,” zegt Art Woods, een bioloog aan de Universiteit van Montana in Missoula. “Dit model maakt anticiperende reacties mogelijk op aankomende potentiële verstoringen van de set points.”

Bij voorbeeld, in afwachting van een maaltijd scheidt het lichaam extra insuline, ghreline en andere hormonen af, volgens een review in Appetite uit 2007. Deze preventieve maatregel bereidt het lichaam voor op de inkomende vloed van calorieën, in plaats van te worstelen om de bloedsuikerspiegel en energievoorraden in het kielzog ervan onder controle te houden.

Het vermogen om setpoints te verschuiven stelt dieren in staat zich aan te passen aan kortstondige stressoren, maar ze kunnen falen bij langetermijnuitdagingen, zoals klimaatverandering.

“Het activeren van homeostatische reactiesystemen kan prima zijn voor korte perioden,” zei Woods. Maar ze zijn niet ontworpen om lang mee te gaan. “Homeostatische systemen kunnen catastrofaal falen als ze te ver worden doorgedrukt; dus hoewel systemen nieuwe klimaten op korte termijn aankunnen, kunnen ze grotere veranderingen over langere perioden wellicht niet aan.”

Doorstroming van informatie

Homeostatische systemen zijn misschien in de eerste plaats geëvolueerd om organismen te helpen optimaal te blijven functioneren in verschillende omgevingen en situaties. Maar, volgens een essay uit 2013 in het tijdschrift Trends in Ecology & Evolutie, theoretiseren sommige wetenschappers dat homeostase in de eerste plaats een “stille achtergrond” biedt voor cellen, weefsels en organen om met elkaar te communiceren. Deze theorie stelt dat homeostase het voor organismen gemakkelijker maakt om belangrijke informatie uit de omgeving te halen en signalen tussen lichaamsdelen uit te wisselen.

Ontafhankelijk van het evolutionaire doel heeft homeostase bijna een eeuw lang het onderzoek in de biowetenschappen bepaald. Hoewel homeostatische processen meestal worden besproken in de context van dierfysiologie, stellen zij ook planten in staat hun energievoorraden te beheren, cellen te voeden en te reageren op milieu-uitdagingen. Naast de biologie gebruiken ook de sociale wetenschappen, cybernetica, computerwetenschappen en ingenieurswetenschappen homeostase als kader om te begrijpen hoe mensen en machines ondanks verstoringen hun stabiliteit bewaren.