10.7: Гомеостаз та відгуки
- Автор: Сюзанна Вакім та Мандіп Греваль
- Професори (клітинна молекулярна біологія та рослинознавство) в коледжі Бат
Стійкий, як вона йде
Цей пристрій виглядає просто, але він керує складною системою, яка підтримує в будинку стабільну температуру. Пристрій являє собою старомодний термостат. Циферблат відображає поточну температуру в приміщенні, а також дозволяє мешканцю встановити термостат на бажану температуру. Термостат - це часто цитована модель того, як живі системи, включаючи людське тіло, підтримують стійкий стан, який називається гомеостазом.
Рисунок \ (\ PageIndex \): Термостат для будівлі. (CC BY-SA4.0; Вінсент де Грут через Wikimedia.org).
Що таке гомеостаз?
Гомеостаз - це стан, при якому така система, як людський організм, підтримується в більш-менш стабільному стані. Робота клітин, тканин, органів та систем органів у всьому тілі - підтримувати безліч різних змінних у вузьких межах, сумісних із життям. Підтримання стабільного внутрішнього середовища вимагає постійного контролю за внутрішнім середовищем і постійного внесення коригувань, щоб утримувати рівновагу.
Встановлена точка та нормальний діапазон
Для будь-якої даної змінної, такої як температура тіла або рівень глюкози в крові, існує своя особливість задана точка тобто фізіологічне оптимальне значення. Наприклад, задане значення температури тіла людини становить близько 37 ºC (98,6 ºF). Оскільки організм працює для підтримання гомеостазу температури або будь-якої іншої внутрішньої змінної, значення, як правило, коливається навколо заданої точки. Такі коливання є нормальними, якщо вони не стають надто екстремальними. Поширення значень, у межах яких такі коливання вважаються незначними, називається нормальний діапазон. Наприклад, у разі температури тіла нормальний діапазон для дорослої людини становить приблизно від 36,5 до 37,5 ºC (97,7 до 99,5 ºF).
Підтримка гомеостазу
Гомеостаз, як правило, підтримується в організмі людини надзвичайно складною рівновагою. Незалежно від того, яка змінна тримається в межах норми, підтримка гомеостазу вимагає щонайменше чотирьох взаємодіючих компонентів: стимулу, датчика, центру управління та ефектора.
- стимул забезпечується змінною, яка регулюється. Як правило, стимул вказує на те, що значення змінної відійшло від заданого значення або залишило нормальний діапазон.
- датчик контролює значення змінної та надсилає дані про неї до центру управління.
- центр управління відповідає даним із нормальними значеннями. Якщо значення не в заданому значенні або виходить за межі нормального діапазону, центр управління надсилає сигнал ефектору.
- ефектор це орган, залоза, м’яз або інша структура, яка діє на сигнал від центру управління для переміщення змінної назад до заданої точки.
Кожен із цих компонентів проілюстрований на рисунку \ (\ PageIndex \). Діаграма зліва - загальна модель, яка показує, як компоненти взаємодіють для підтримки гомеостазу. Діаграма праворуч показує приклад температури тіла. З діаграм видно, що підтримка гомеостазу передбачає зворотний зв’язок, тобто дані, які подаються назад для управління реакцією. Відгуки можуть бути негативними, як у прикладі нижче, або позитивними. Усі механізми зворотного зв'язку, що підтримують гомеостаз, використовують негативні відгуки. Біологічні приклади позитивних відгуків набагато рідше.
Рисунок \ (\ PageIndex \): Для підтримки гомеостазу за допомогою зворотного зв'язку потрібні стимул, датчик, центр управління та ефектор. (CC BY-NC 3.0 через основу CK-12).
Негативні відгуки
В петля негативного зворотного зв'язку, зворотний зв'язок служить для зменшення надмірної реакції та утримання змінної в межах норми. Приклади процесів, контрольованих за допомогою негативного зворотного зв'язку, включають регулювання температури тіла та контроль рівня глюкози в крові.
Температура тіла
Регулювання температури тіла передбачає негативний зворотний зв'язок, знижує вона чи підвищує її (Рисунок \ (\ PageIndex \)).
Охолодження
Центром регулювання температури людського тіла є гіпоталамус у мозку. Коли гіпоталамус отримує дані від датчиків шкіри та мозку про те, що температура тіла вища за встановлену точку, він запускає такі реакції:
- Кровоносні судини в шкірі розширюються (розширення судин), щоб більше крові з теплого ядра тіла протікало близько до поверхні тіла, тому тепло може випромінюватися в навколишнє середовище.
- По мірі збільшення припливу крові до шкіри потові залози в шкірі активізуються, щоб збільшити виділення поту (діафорез). Коли піт випаровується з поверхні шкіри в навколишнє повітря, він забирає з собою тепло.
- Дихання стає глибшим, і людина може дихати ротом замість носових ходів. Це збільшує втрати тепла з легенів.
Підігрівати
Коли центр регуляції температури мозку отримує дані про те, що температура тіла нижча від заданої, він запускає такі реакції:
- Кровоносні судини в шкірі скорочуються (звуження судин), щоб запобігти надходженню крові близько до поверхні тіла. Це зменшує втрати тепла з поверхні.
- Коли температура падає нижче, спрацьовують випадкові сигнали до скелетних м’язів, змушуючи їх скорочуватися. Це викликає тремтіння, яке виробляє невелику кількість тепла.
- Щитовидна залоза може стимулюватися мозку (через гіпофіз) для виділення більшої кількості гормону щитовидної залози. Цей гормон збільшує метаболічну активність і вироблення тепла в клітинах у всьому тілі.
- Надниркові залози також можуть стимулюватися до виділення гормону адреналіну. Цей гормон викликає розщеплення глікогену (вуглеводів, що використовуються для накопичення енергії у тварин), до глюкози, яку можна використовувати як джерело енергії. Цей катаболічний хімічний процес екзотермічний або виробляє тепло.
Глюкоза крові
Для контролю рівня глюкози в крові певні ендокринні клітини підшлункової залози, які називаються альфа- і бета-клітинами, виявляють рівень глюкози в крові. Потім вони реагують належним чином, щоб підтримувати рівень глюкози в крові в межах норми.