Denken Sie daran, dass Homöostase die Aufrechterhaltung einer relativ stabilen inneren Umgebung ist. Wenn ein Stimulus oder eine Veränderung in der Umgebung vorliegt, reagieren Rückkopplungsschleifen, um die Systeme in der Nähe eines Sollwerts oder idealen Niveaus zu halten.

Typischerweise unterteilen wir Rückkopplungsschleifen in zwei Haupttypen:

1. positive Rückkopplungsschleifen, bei denen eine Änderung in einer bestimmten Richtung eine zusätzliche Änderung in derselben Richtung verursacht.Zum Beispiel verursacht eine Erhöhung der Konzentration einer Substanz eine Rückkopplung, die zu anhaltenden Konzentrationserhöhungen führt.
2. negative Rückkopplungsschleifen, bei denen eine Änderung in einer bestimmten Richtung eine Änderung in die entgegengesetzte Richtung bewirkt.Beispielsweise verursacht eine Erhöhung der Konzentration einer Substanz eine Rückkopplung, die letztendlich dazu führt, dass die Konzentration der Substanz abnimmt.

Positive Rückkopplungsschleifen sind inhärent instabile Systeme. Da eine Änderung einer Eingabe Reaktionen hervorruft, die fortlaufende Änderungen in die gleiche Richtung bewirken, können positive Rückkopplungsschleifen zu außer Kontrolle geratenen Bedingungen führen. Der Begriff positive Rückkopplung wird typischerweise verwendet, solange eine Variable die Fähigkeit hat, sich selbst zu verstärken, auch wenn die Komponenten einer Schleife (Rezeptor, Kontrollzentrum und Effektor) nicht leicht identifizierbar sind. In den meisten Fällen ist positives Feedback schädlich, aber es gibt einige Fälle, in denen positives Feedback, wenn es in begrenzter Weise verwendet wird, zur normalen Funktion beiträgt. Zum Beispiel aktiviert sich während der Blutgerinnung eine Kaskade enzymatischer Proteine gegenseitig, was zur Bildung eines Fibringerinnsels führt, das den Blutverlust verhindert. Eines der Enzyme im Signalweg, Thrombin genannt, wirkt nicht nur auf das nächste Protein im Signalweg, sondern hat auch die Fähigkeit, ein Protein zu aktivieren, das ihm in der Kaskade vorausging. Dieser letztere Schritt führt zu einem positiven Rückkopplungszyklus, bei dem ein Anstieg des Thrombins zu einem weiteren Anstieg des Thrombins führt. Es sollte beachtet werden, dass es andere Aspekte der Blutgerinnung gibt, die den Gesamtprozess in Schach halten, so dass der Thrombinspiegel nicht unbegrenzt ansteigt. Wenn wir jedoch nur die Auswirkungen von Thrombin auf sich selbst betrachten, wird dies als positiver Rückkopplungszyklus angesehen. Obwohl einige dies als positive Rückkopplungsschleife betrachten, wird eine solche Terminologie nicht allgemein akzeptiert.

Negative Rückkopplungsschleifen sind inhärent stabile Systeme. Negative Rückkopplungsschleifen erzeugen in Verbindung mit den verschiedenen Reizen, die eine Variable beeinflussen können, typischerweise einen Zustand, in dem die Variable um den Sollwert oszilliert. Beispielsweise tragen negative Rückkopplungsschleifen mit Insulin und Glucagon dazu bei, den Blutzuckerspiegel in einem engen Konzentrationsbereich zu halten. Wenn der Glukosespiegel zu hoch wird, gibt der Körper Insulin in den Blutkreislauf ab. Insulin bewirkt, dass die Körperzellen Glukose aufnehmen und speichern, wodurch die Blutzuckerkonzentration gesenkt wird. Wenn der Blutzucker zu niedrig wird, setzt der Körper Glucagon frei, wodurch Glukose aus einigen Körperzellen freigesetzt wird.

Positive Rückkopplung

Bei einem positiven Rückkopplungsmechanismus stimuliert die Ausgabe des Systems das System so, dass die Ausgabe weiter erhöht wird. Gängige Begriffe, die positive Rückkopplungsschleifen oder -zyklen beschreiben könnten, sind „Schneeballsystem“ und „Kettenreaktion“. Ohne eine Gegenausgleichs- oder „Shut-Down“ -Reaktion oder einen Prozess hat ein positiver Rückkopplungsmechanismus das Potenzial, einen außer Kontrolle geratenen Prozess zu erzeugen. Wie bereits erwähnt, gibt es einige physiologische Prozesse, die allgemein als positive Rückkopplung angesehen werden, obwohl sie möglicherweise nicht alle identifizierbare Komponenten einer Rückkopplungsschleife aufweisen. In diesen Fällen endet die positive Rückkopplungsschleife immer mit einer Gegensignalisierung, die den ursprünglichen Reiz unterdrückt.

Ein gutes Beispiel für positives Feedback ist die Verstärkung von Wehen. Die Kontraktionen werden eingeleitet, wenn sich das Baby in Position bewegt und den Gebärmutterhals über seine normale Position hinaus dehnt. Das Feedback erhöht die Stärke und Häufigkeit der Kontraktionen, bis das Baby geboren ist. Nach der Geburt stoppt die Dehnung und die Schleife wird unterbrochen.

Ein weiteres Beispiel für positives Feedback tritt in der Stillzeit auf, in der eine Mutter Milch für ihr Kind produziert. Während der Schwangerschaft steigt der Spiegel des Hormons Prolaktin. Prolaktin stimuliert normalerweise die Milchproduktion, aber während der Schwangerschaft hemmt Progesteron die Milchproduktion. Bei der Geburt, wenn die Plazenta aus der Gebärmutter freigesetzt wird, sinkt der Progesteronspiegel. Infolgedessen steigt die Milchproduktion. Während das Baby füttert, stimuliert das Saugen die Brust und fördert die weitere Freisetzung von Prolaktin, was zu einer noch höheren Milchproduktion führt. Dieses positive Feedback stellt sicher, dass das Baby während der Fütterung ausreichend Milch hat. Wenn das Baby entwöhnt ist und sich nicht mehr von der Mutter ernährt, hört die Stimulation auf und das Prolaktin im Blut der Mutter kehrt auf das Niveau vor dem Stillen zurück.

Die obigen Beispiele liefern vorteilhafte positive Rückkopplungsmechanismen. In vielen Fällen kann positives Feedback jedoch potenziell schädlich für Lebensprozesse sein. Zum Beispiel kann der Blutdruck erheblich sinken, wenn eine Person aufgrund eines Traumas viel Blut verliert.

Der Blutdruck ist eine regulierte Variable, die dazu führt, dass das Herz seine Rate erhöht (d. H. Die Herzfrequenz steigt) und sich stärker zusammenzieht. Diese Veränderungen am Herzen führen dazu, dass es mehr Sauerstoff und Nährstoffe benötigt, aber wenn das Blutvolumen im Körper zu niedrig ist, erhält das Herzgewebe selbst nicht genügend Blutfluss, um diesen erhöhten Bedarf zu decken. Das Ungleichgewicht zwischen dem Sauerstoffbedarf des Herzens und der Sauerstoffversorgung kann zu weiteren Herzschäden führen, die den Blutdruck tatsächlich senken und eine größere Änderung der Variablen (Blutdruck) bewirken. Die Schleife reagiert, indem sie versucht, das Herz noch stärker zu stimulieren, was zu weiteren Herzschäden führt … und die Schleife geht weiter, bis der Tod eintritt.

Negative Rückkopplung

Die meisten biologischen Rückkopplungssysteme sind negative Rückkopplungssysteme. Negative Rückkopplung tritt auf, wenn die Ausgabe eines Systems die Prozesse, die zur Ausgabe dieses Systems führen, reduziert oder dämpft, was zu einer geringeren Ausgabe führt. Im Allgemeinen ermöglichen negative Rückkopplungsschleifen eine Selbststabilisierung der Systeme. Negatives Feedback ist ein wichtiger Kontrollmechanismus für die Homöostase des Körpers.

Sie haben ein Beispiel für eine Rückkopplungsschleife für die Temperatur gesehen und die beteiligten Komponenten identifiziert. Dies ist ein wichtiges Beispiel dafür, wie eine negative Rückkopplungsschleife die Homöostase des Thermoregulationsmechanismus des Körpers aufrechterhält. Der Körper hält eine relativ konstante Innentemperatur aufrecht, um chemische Prozesse zu optimieren. Neuronale Impulse von wärmeempfindlichen Thermorezeptoren im Körper signalisieren den Hypothalamus. Der Hypothalamus im Gehirn vergleicht die Körpertemperatur mit einem Sollwert.

Wenn die Körpertemperatur sinkt, löst der Hypothalamus mehrere physiologische Reaktionen aus, um die Wärmeproduktion zu erhöhen und Wärme zu sparen:

• Verengung der Oberflächenblutgefäße (Vasokonstriktion) verringert den Wärmefluss zur Haut.
• Das Zittern beginnt und erhöht die Wärmeproduktion der Muskeln.
• Nebennieren sezernieren stimulierende Hormone wie Noradrenalin und Adrenalin, um die Stoffwechselrate und damit die Wärmeproduktion zu erhöhen.

Diese Effekte führen zu einer Erhöhung der Körpertemperatur. Wenn es wieder normal ist, wird der Hypothalamus nicht mehr stimuliert und diese Effekte hören auf.

Wenn die Körpertemperatur ansteigt, löst der Hypothalamus mehrere physiologische Reaktionen aus, um die Wärmeproduktion zu verringern und Wärme zu verlieren:

• Die Erweiterung der Oberflächenblutgefäße (Vasodilatation) erhöht den Wärmefluss zur Haut und wird gerötet.
• Schweißdrüsen geben Wasser (Schweiß) ab und Verdunstung kühlt die Haut.

Diese Effekte führen zu einer Abnahme der Körpertemperatur. Wenn es wieder normal ist, wird der Hypothalamus nicht mehr stimuliert und diese Effekte hören auf.

Viele homöostatische Mechanismen, wie die Temperatur, reagieren unterschiedlich, wenn die Variable über oder unter dem Sollwert liegt. Wenn die Temperatur steigt, schwitzen wir, wenn sie abnimmt, zittern wir. Diese Antworten verwenden verschiedene Effektoren, um die Variable anzupassen. In anderen Fällen verwendet eine Rückkopplungsschleife denselben Effektor, um die Variable wieder auf den Sollwert einzustellen, unabhängig davon, ob die anfängliche Änderung der Variablen entweder über oder unter dem Sollwert lag. Beispielsweise wird der Pupillendurchmesser angepasst, um sicherzustellen, dass eine angemessene Lichtmenge in das Auge gelangt. Wenn die Lichtmenge zu niedrig ist, dehnt sich die Pupille aus, wenn sie zu hoch ist, verengt sich die Pupille.

Dies kann mit dem Fahren verglichen werden. Wenn Ihre Geschwindigkeit über dem Sollwert (dem gewünschten Wert) liegt, können Sie entweder nur das Gaspedal (d. H. Die Küste) verringern oder ein zweites System aktivieren — die Bremse. In beiden Fällen verlangsamen Sie, aber es kann entweder nur durch „Sichern“ auf einem System oder durch Hinzufügen eines zweiten Systems erfolgen.

Schauen wir uns an, wie diese beiden Beispiele im Zusammenhang mit der normalen Blutdruckhomöostase funktionieren.

Der Blutdruck wird gemessen, wenn das zirkulierende Blut Druck auf die Wände der Arterien des Körpers ausübt. Der Blutdruck wird zunächst durch die Kontraktion des Herzens erzeugt. Änderungen der Stärke und der Kontraktionsrate stehen in direktem Zusammenhang mit Änderungen des Blutdrucks. Änderungen des Blutvolumens würden auch in direktem Zusammenhang mit Änderungen des Blutdrucks stehen. Änderungen des Durchmessers der Gefäße, durch die das Blut fließt, ändern den Widerstand und haben eine entgegengesetzte Änderung des Blutdrucks. Die Blutdruckhomöostase umfasst Rezeptoren, die den Blutdruck überwachen, und Kontrollzentren, die Änderungen in den Effektoren einleiten, um sie in einem normalen Bereich zu halten.

Fragen zur Selbstkontrolle

Nehmen Sie am folgenden Quiz teil, um Ihr Verständnis der Homöostase zu überprüfen: