Co to jest homeostaza?

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 na przykład ciśnienie krwi gwałtownie wzrośnie lub temperatura ciała spadnie, układy narządów mogą mieć trudności z wykonywaniem swoich zadań i w końcu upaść.

Dlaczego homeostaza jest ważna

Fizjolog Walter Cannon ukuł termin „homeostaza” w latach 20-tych XX wieku, rozwijając wcześniejszą pracę fizjologa Claude’a Bernarda. W latach 70. XIX wieku Bernard opisał, w jaki sposób 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 popularnej publiczności 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, które komórki polegają na dla normalnego funkcjonowania. Procesy homeostatyczne utrzymują również poziom wody, tlenu, pH i cukru we krwi, a także temperaturę ciała, zgodnie z przeglądem z 2015 r. w Advances in Physiology Education.

W zdrowych organizmach procesy homeostatyczne rozwijają się stale i automatycznie, zgodnie z Scientific American. Wiele systemów często pracuje w tandemie, aby utrzymać na stałym poziomie jeden czynnik fizjologiczny, taki jak temperatura ciała. Jeśli te środki osłabną lub zawiodą, organizm może ulec chorobie, a nawet śmierci.

Jak utrzymywana jest homeostaza

Wiele systemów homeostatycznych słucha sygnałów alarmowych z ciała, aby wiedzieć, kiedy kluczowe zmienne wypadają z odpowiedniego zakresu. Układ nerwowy wykrywa te odchylenia i przekazuje informacje do centrum sterowania, często znajdującego się w mózgu. Centrum sterowania następnie kieruje mięśnie, narządy i gruczoły, aby skorygować zakłócenia. Ciągła pętla zakłóceń i dostosowań jest znana jako „ujemne sprzężenie zwrotne”, zgodnie z podręcznikiem online Anatomia i fizjologia.

Na przykład, ludzkie ciało utrzymuje temperaturę rdzenia około 98,6 stopni Fahrenheita (37 stopni Celsjusza). Kiedy jest przegrzane, termosensory w skórze i mózgu włączają alarm, inicjując reakcję łańcuchową, która kieruje ciało do pocenia się i spłukiwania. Kiedy ciało jest wychłodzone, reaguje dreszczami i zmniejsza krążenie krwi do skóry. Podobnie, gdy poziom sodu wzrasta, ciało sygnalizuje nerkom, aby zachowały wodę i wydaliły nadmiar soli w skoncentrowanym moczu, zgodnie z dwoma badaniami finansowanymi przez NIH.

Zwierzęta również dostosują 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 sięga opisu homeostazy przez Cannona w latach 20-tych 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 się przesunąć pod wpływem rytmów okołodobowych, cykli menstruacyjnych lub dobowych 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 z 2015 roku w Advances in Physiology Education.

„Punkty nastawcze same w sobie nie są stałe, ale mogą wykazywać plastyczność adaptacyjną”, powiedział Art Woods, biolog z University of Montana w Missoula. „Ten model pozwala na antycypacyjne reakcje na nadchodzące potencjalne zakłócenia 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.

Możliwość przesunięcia punktów nastawczych pozwala zwierzętom przystosować się do krótkoterminowych stresorów, ale mogą one zawieść w obliczu długoterminowych wyzwań, takich jak zmiany klimatyczne.

„Aktywacja homeostatycznych systemów reakcji może być dobra na krótkie okresy czasu”, powiedział Woods. Ale nie są one zaprojektowane, aby trwać przez długi czas. „Systemy homeostatyczne mogą zawieść katastrofalnie, jeśli są popychane zbyt daleko; tak, chociaż systemy mogą być w stanie obsłużyć krótkoterminowe nowe klimaty, mogą nie być w stanie obsłużyć większych zmian w dłuższych okresach czasu.”

Utrzymywanie przepływu informacji

Systemy homeostatyczne mogły przede wszystkim ewoluować, aby pomóc organizmom w utrzymaniu optymalnego funkcjonowania 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 środowiska. Poza biologią, nauki społeczne, cybernetyka, informatyka i inżynieria wykorzystują homeostazę jako ramy do zrozumienia, w jaki sposób ludzie i maszyny utrzymują stabilność pomimo zakłóceń.