Was ist Homöostase?

Homöostase ist die Fähigkeit, einen relativ stabilen inneren Zustand aufrechtzuerhalten, der trotz Veränderungen in der Außenwelt bestehen bleibt. Alle lebenden Organismen, von Pflanzen über Welpen bis hin zu Menschen, müssen ihre innere Umgebung regulieren, um Energie zu verarbeiten und letztlich zu überleben. Wenn zum Beispiel der Blutdruck in die Höhe schießt oder die Körpertemperatur sinkt, können die Organsysteme ihre Aufgaben nicht mehr erfüllen und versagen schließlich.

Warum Homöostase wichtig ist

Der Physiologe Walter Cannon prägte den Begriff „Homöostase“ in den 1920er Jahren und erweiterte damit die Arbeit des verstorbenen Physiologen Claude Bernard. Bernard beschrieb in den 1870er Jahren, wie komplexe Organismen ihr inneres Milieu, das „milieu intérieur“, im Gleichgewicht halten müssen, um ein „freies und unabhängiges Leben“ in der Außenwelt führen zu können. Cannon verfeinerte das Konzept und machte die Homöostase durch sein Buch „The Wisdom of the Body“ (The British Medical Journal, 1932) einem breiten Publikum bekannt.

Die grundlegende Definition der Homöostase von Cannon wird auch heute noch verwendet und gilt als Kernstück der Physiologie. Der Begriff leitet sich von griechischen Wurzeln ab, die „ähnlich“ und „ein Zustand der Stabilität“ bedeuten. Die Vorsilbe „Homöo“ betont, dass die Homöostase nicht wie ein Thermostat oder ein Tempomat in einem Auto funktioniert, der auf eine bestimmte Temperatur oder Geschwindigkeit festgelegt ist. Stattdessen hält die Homöostase wichtige physiologische Faktoren innerhalb eines akzeptablen Wertebereichs, so eine Übersichtsarbeit in der Zeitschrift Appetite.

Der menschliche Körper reguliert zum Beispiel seine internen Konzentrationen von Wasserstoff, Kalzium, Kalium und Natrium, geladene Teilchen, auf die Zellen für eine normale Funktion angewiesen sind. Homöostatische Prozesse sorgen auch für die Aufrechterhaltung des Wasser-, Sauerstoff-, pH- und Blutzuckerspiegels sowie der Körperkerntemperatur, so eine 2015 erschienene Übersichtsarbeit in Advances in Physiology Education.

In gesunden Organismen laufen homöostatische Prozesse ständig und automatisch ab, so Scientific American. Mehrere Systeme arbeiten oft zusammen, um einen einzelnen physiologischen Faktor, wie die Körpertemperatur, konstant zu halten. Wenn diese Maßnahmen ins Stocken geraten oder versagen, kann ein Organismus erkranken oder sogar sterben.

Wie die Homöostase aufrechterhalten wird

Viele homöostatische Systeme lauschen auf Notsignale des Körpers, um zu wissen, wenn Schlüsselvariablen aus ihrem angemessenen Bereich fallen. Das Nervensystem erkennt diese Abweichungen und meldet sie an ein Kontrollzentrum, das oft im Gehirn sitzt. Das Kontrollzentrum leitet dann Muskeln, Organe und Drüsen an, um die Störung zu korrigieren. Die kontinuierliche Schleife von Störung und Anpassung wird als „negative Rückkopplung“ bezeichnet, so das Online-Lehrbuch Anatomie und Physiologie.

Der menschliche Körper hält beispielsweise eine Kerntemperatur von etwa 37 Grad Celsius (98,6 Grad Fahrenheit). Bei Überhitzung schlagen Thermosensoren in der Haut und im Gehirn Alarm und lösen eine Kettenreaktion aus, die den Körper zum Schwitzen und Spülen veranlasst. Bei Abkühlung reagiert der Körper mit Zittern und verminderter Blutzirkulation in der Haut. In ähnlicher Weise signalisiert der Körper den Nieren, Wasser zu sparen und überschüssiges Salz in konzentriertem Urin auszuscheiden, wenn der Natriumspiegel ansteigt, so zwei von den NIH finanzierte Studien.

Auch Tiere passen ihr Verhalten als Reaktion auf negative Rückmeldungen an. Wenn wir zum Beispiel überhitzt sind, können wir eine Schicht Kleidung ablegen, in den Schatten gehen oder ein kaltes Glas Wasser trinken.

Moderne Modelle der Homöostase

Das Konzept der negativen Rückkopplung geht auf Cannons Beschreibung der Homöostase in den 1920er Jahren zurück und war die erste Erklärung dafür, wie Homöostase funktioniert. Aber in den letzten Jahrzehnten argumentieren viele Wissenschaftler, dass Organismen in der Lage sind, potenzielle Störungen der Homöostase zu antizipieren, anstatt erst im Nachhinein darauf zu reagieren.

Dieses alternative Modell der Homöostase, bekannt als Allostase, impliziert, dass sich der ideale Sollwert für eine bestimmte Variable als Reaktion auf vorübergehende Umweltveränderungen verschieben kann, so ein Artikel aus dem Jahr 2015 in der Psychological Review. Der Punkt kann sich unter dem Einfluss von zirkadianen Rhythmen, Menstruationszyklen oder täglichen Schwankungen der Körpertemperatur verschieben. Sollwerte können sich auch als Reaktion auf physiologische Phänomene wie Fieber ändern oder um mehrere gleichzeitig stattfindende homöostatische Prozesse zu kompensieren, so ein Artikel aus dem Jahr 2015 in Advances in Physiology Education.

„Die Sollwerte selbst sind nicht fixiert, sondern können eine adaptive Plastizität aufweisen“, sagt Art Woods, Biologe an der University of Montana in Missoula. „

Zum Beispiel schüttet der Körper in Erwartung einer Mahlzeit zusätzliches Insulin, Ghrelin und andere Hormone aus, wie eine 2007 erschienene Studie in Appetite zeigt. Diese präventive Maßnahme bereitet den Körper auf die ankommende Kalorienflut vor, anstatt darum zu ringen, den Blutzucker und die Energiespeicher zu kontrollieren.

Die Fähigkeit, Sollwerte zu verschieben, erlaubt es Tieren, sich an kurzfristige Stressoren anzupassen, aber sie können angesichts langfristiger Herausforderungen, wie dem Klimawandel, versagen.

„Die Aktivierung homöostatischer Reaktionssysteme kann für kurze Zeiträume in Ordnung sein“, so Woods. Aber sie sind nicht dafür ausgelegt, lange zu halten. „Homöostatische Systeme können katastrophal versagen, wenn sie zu weit getrieben werden; also, obwohl die Systeme in der Lage sein können, mit kurzfristigen neuen Klimabedingungen umzugehen, sind sie möglicherweise nicht in der Lage, mit größeren Veränderungen über längere Zeiträume umzugehen.“

Informationen im Fluss halten

Homeostatische Systeme haben sich vielleicht in erster Linie entwickelt, um Organismen dabei zu helfen, in verschiedenen Umgebungen und Situationen optimal zu funktionieren. Aber laut einem Aufsatz aus dem Jahr 2013 in der Zeitschrift Trends in Ecology & Evolution, stellen einige Wissenschaftler die Theorie auf, dass die Homöostase in erster Linie einen „ruhigen Hintergrund“ für Zellen, Gewebe und Organe bietet, um miteinander zu kommunizieren. Die Theorie besagt, dass die Homöostase es den Organismen erleichtert, wichtige Informationen aus der Umwelt zu extrahieren und Signale zwischen den Körperteilen auszutauschen.

Ungeachtet ihres evolutionären Zwecks hat die Homöostase die Forschung in den Lebenswissenschaften fast ein Jahrhundert lang geprägt. Obwohl sie meist im Kontext der Tierphysiologie diskutiert wird, ermöglichen homöostatische Prozesse auch Pflanzen, Energiespeicher zu verwalten, Zellen zu ernähren und auf Herausforderungen der Umwelt zu reagieren. Über die Biologie hinaus nutzen auch die Sozialwissenschaften, die Kybernetik, die Informatik und die Ingenieurwissenschaften die Homöostase als Rahmen, um zu verstehen, wie Menschen und Maschinen trotz Störungen Stabilität aufrechterhalten.