Позитивні та негативні петлі зворотного зв’язку в біології
Зворотній зв'язок визначається як інформація, отримана про реакцію на продукт, яка дозволить модифікувати продукт. Цикли зворотного зв'язку, отже, є процесом, при якому зміна системи призводить до сигналу тривоги, який спричинить певний результат. Цей результат або збільшить зміну системи, або зменшить її, щоб привести систему в норму. Залишається кілька запитань: Як працюють ці системи? Що таке позитивні відгуки? Що таке негативні відгуки? Де ми знаходимо ці системи в природі?
Цикли зворотного зв’язку можуть також виникати більшою мірою: на рівні екосистеми підтримується форма гомеостазу. Хорошим прикладом цього є цикл популяцій хижаків та здобичі: зростання популяції здобичі означатиме більше їжі для хижаків, що збільшить чисельність хижаків. Це призведе до надмірного хижацтва, і популяція здобичі знову зменшиться. Популяція хижаків зменшиться у відповідь, послабивши тиск на популяцію здобичі та дозволивши їй повернутися назад. Див. Малюнок 1. Інший приклад - це така еволюційна гонка озброєнь, коли хижак та його здобич постійно намагаються конкурувати між собою. Однією з таких стосунків є відносини з нектароїдними птахами та квітами, якими вони харчуються. Птахи розвивають довгі дзьоби, щоб отримати доступ до нектару всередині квітки. У відповідь на це квітка розвиває все довшу та довшу форму, схожу на трубу, намагаючись перешкодити птахові дістатися до нектару. Птах реагує, розвиваючи ще довший дзьоб. І так продовжується.
Рисунок 1: Тенденції популяції хижака та здобичі.
Позитивні відгуки
Петля позитивного зворотного зв'язку виникає в природі, коли продукт реакції призводить до посилення цієї реакції. Якщо ми подивимось на систему в гомеостазі, то петля позитивного зворотного зв'язку віддаляє систему далі від мети рівноваги. Він робить це, посилюючи ефекти продукту чи події і виникає тоді, коли щось має відбутися швидко.
Приклад 1: Дозрівання плодів
У природі є дивовижний ефект, коли дерево чи кущ раптово дозріють усі свої фрукти чи овочі, без видимого сигналу. Це наш перший приклад позитивного циклу біологічного зворотного зв’язку. Якщо ми подивимося на яблуню, в якій багато яблук, здається, за одну ніч вони всі переходять від незрілих до стиглих до перезрілих. Це почнеться з першого дозрівання яблука. Після дозрівання через шкіру виділяється газ, відомий як етилен (C2H4). Під впливом цього газу яблука поблизу нього також дозрівають. Після дозрівання вони також виробляють етилен, який продовжує дозрівати решту дерева в ефекті, схожому на хвилю. Цю петлю зворотного зв'язку часто використовують у виробництві фруктів, коли яблука піддаються дії виробленого етиленового газу, щоб вони швидше дозрівали.
Рисунок 2: Процес дозрівання яблук - це позитивний зворотний зв'язок.
Приклад 2: Пологи
Коли починаються пологи, голова дитини відсувається вниз і призводить до посиленого тиску на шийку матки. Це стимулює рецепторні клітини надсилати хімічний сигнал в мозок, дозволяючи виділяти окситоцин. Цей окситоцин дифузується до шийки матки через кров, де стимулює подальші скорочення. Ці скорочення стимулюють подальше вивільнення окситоцину до народження дитини.
Малюнок 3: Сутички, що виникають під час пологів, виникають в результаті позитивного зворотного зв'язку.
Приклад 3: Згущення крові
Коли тканина розривається або травмується, виділяється хімічна речовина. Ця хімічна речовина призводить до активації тромбоцитів у крові. Як тільки ці тромбоцити активуються, вони вивільняють хімічну речовину, яка сигналізує про активацію більшої кількості тромбоцитів, поки рана не згуститься.
Малюнок 4: Процес згортання рани - це петля позитивного зворотного зв'язку.
Цикли негативного зворотного зв'язку
Петля негативного зворотного зв'язку виникає в біології, коли продукт реакції призводить до зменшення цієї реакції. Таким чином, петля негативного зворотного зв'язку наближає систему до цілі стабільності або гомеостазу. Негативні петлі зворотного зв'язку відповідають за стабілізацію системи та забезпечують підтримку стабільного, стабільного стану. Реакція регулюючого механізму протилежна результату події.