muista, että homeostaasi on suhteellisen vakaan sisäisen ympäristön ylläpitoa. Kun ärsyke eli muutos ympäristössä on läsnä, takaisinkytkennät reagoivat pitämään järjestelmät toiminnassa lähellä asetuspistettä eli ideaalitasoa.

tyypillisesti jaetaan takaisinkytkentäsilmukat kahteen päätyyppiin:

1. positiivisiin takaisinkytkentäsilmukoihin, joissa muutos tietyssä suunnassa aiheuttaa lisämuutoksen samaan suuntaan.Esimerkiksi aineen pitoisuuden kasvu aiheuttaa palautetta, joka saa aikaan pitoisuuden jatkuvan kohoamisen.
2. negatiiviset takaisinkytkennät, joissa muutos tietyssä suunnassa aiheuttaa muutoksen vastakkaiseen suuntaan.Esimerkiksi aineen pitoisuuden kasvu aiheuttaa palautetta,joka lopulta saa aineen pitoisuuden laskemaan.

positiiviset takaisinkytkennät ovat luonnostaan epästabiileja systeemejä. Koska syötteen muutos aiheuttaa vasteita, jotka tuottavat jatkuvia muutoksia samaan suuntaan, positiiviset takaisinkytkennät voivat johtaa karanneisiin olosuhteisiin. Termiä positiivinen takaisinkytkentä käytetään tyypillisesti niin kauan kuin muuttuja pystyy monistamaan itseään, vaikka silmukan komponentit (reseptori, ohjauskeskus ja efektori) eivät olisi helposti tunnistettavissa. Useimmissa tapauksissa positiivinen palaute on haitallista, mutta on muutamia tapauksia, joissa positiivinen palaute rajoitetusti käytettynä edistää normaalia toimintaa. Esimerkiksi veren hyytymisen aikana entsymaattiset proteiinit aktivoivat toisiaan, jolloin muodostuu fibriinihyytymä, joka estää verenhukkaa. Yksi reitin entsyymeistä, trombiini, ei vaikuta ainoastaan reitin seuraavaan proteiiniin, vaan sillä on myös kyky aktivoida proteiinia, joka edelsi sitä kaskadissa. Jälkimmäinen vaihe johtaa positiiviseen takaisinkytkentään, jossa trombiinin lisääntyminen lisää trombiinin määrää. On huomattava, että on olemassa muita veren hyytymiseen liittyviä näkökohtia, jotka pitävät koko prosessin kurissa siten, että trombiinitasot eivät nouse rajattomasti. Mutta jos tarkastelemme trombiinin vaikutuksia itseensä, sitä pidetään positiivisena palautekierteenä. Vaikka jotkut saattavat pitää tätä positiivisena palauteryöppynä, tällaista terminologiaa ei hyväksytä yleisesti.

negatiiviset takaisinkytkennät ovat luonnostaan stabiileja systeemejä. Negatiiviset takaisinkytkentäsilmukat yhdessä erilaisten ärsykkeiden kanssa, jotka voivat vaikuttaa muuttujaan, tuottavat tyypillisesti tilan, jossa muuttuja värähtelee asetetun pisteen ympärillä. Esimerkiksi insuliinin ja glukagonin negatiiviset takaisinkytkennät auttavat pitämään veren glukoosipitoisuuden kapealla pitoisuusalueella. Jos glukoosipitoisuus nousee liian korkeaksi, elimistö vapauttaa insuliinia verenkiertoon. Insuliini saa elimistön solut ottamaan ja varastoimaan glukoosia, mikä alentaa veren glukoosipitoisuutta. Jos verensokeri laskee liian alhaiseksi, elimistö vapauttaa glukagonia, joka aiheuttaa glukoosin vapautumista joistakin elimistön soluista.

positiivinen takaisinkytkentä

positiivisessa takaisinkytkentämekanismissa systeemin ulostulo stimuloi systeemiä siten, että ulostulo kasvaa entisestään. Yleisiä termejä, jotka voisivat kuvata positiivisia takaisinkytkentäsilmukoita tai-syklejä, ovat ”lumilinko”ja ” ketjureaktio”. Ilman vastapaino-tai ”pysäytysreaktiota” tai prosessia positiivisella palautemekanismilla on mahdollisuus tuottaa karkaava prosessi. Kuten todettiin, on olemassa joitakin fysiologisia prosesseja, joita pidetään yleisesti positiivisena palautteena, vaikka ne kaikki eivät välttämättä ole tunnistettavissa palautesilmukan osatekijöinä. Näissä tapauksissa positiivinen takaisinkytkentäsilmukka päättyy aina vasta-signalointiin, joka tukahduttaa alkuperäisen ärsykkeen.

hyvä esimerkki positiivisesta palautteesta liittyy työvoiman supistusten voimistumiseen. Supistukset aloitetaan, kun vauva siirtyy asentoon, venyttämällä kohdunkaula yli normaalin asentonsa. Palaute lisää supistusten voimakkuutta ja tiheyttä, kunnes vauva on syntynyt. Synnytyksen jälkeen venyttely loppuu ja silmukka keskeytyy.

toinen esimerkki positiivisesta palautteesta tapahtuu imetyksessä, jonka aikana äiti tuottaa maitoa lapselleen. Raskauden aikana prolaktiinihormonin tasot kasvavat. Prolaktiini stimuloi normaalisti maidontuotantoa, mutta raskauden aikana progesteroni estää maidontuotantoa. Syntymässä, kun istukka vapautuu kohdusta, progesteronitasot laskevat. Tämän seurauksena maidontuotanto kasvaa. Kun vauva ruokkii, sen imettäminen stimuloi rintaa edistäen prolaktiinin vapautumista edelleen, mikä johtaa yhä suurempaan maidontuotantoon. Tämä positiivinen palaute varmistaa, että vauvalla on riittävästi maitoa ruokinnan aikana. Kun vauva vieroitetaan eikä enää imetä äidistä, stimulaatio lakkaa ja prolaktiini äidin veressä palautuu imetystä edeltävälle tasolle.

yllä on esimerkkejä hyödyllisistä positiivisista palautemekanismeista. Monissa tapauksissa positiivinen palaute voi kuitenkin olla haitallista elämän prosesseille. Verenpaine voi esimerkiksi laskea merkittävästi, jos henkilö menettää paljon verta trauman vuoksi.

verenpaine on säädelty muuttuja, joka johtaa siihen, että sydän nostaa sykettään (eli syke nousee) ja supistuu voimakkaammin. Nämä muutokset sydämessä aiheuttaa se tarvitsee enemmän happea ja ravinteita, mutta jos veren tilavuus elimistössä on liian alhainen, sydänkudos itse ei saa riittävästi verenkiertoa vastaamaan näitä lisääntyneitä tarpeita. Epätasapaino hapentarpeen sydämen ja hapen saanti voi johtaa edelleen sydänvaurioita, joka todella alentaa verenpainetta, tarjoaa suuremman muutoksen muuttuja (verenpaine). Silmukka reagoi stimuloimalla sydäntä vielä voimakkaammin, mikä johtaa uusiin sydänvaurioihin…ja silmukka jatkuu kunnes kuolema seuraa.

negatiivinen takaisinkytkentä

useimmat biologiset takaisinkytkentäjärjestelmät ovat negatiivisia takaisinkytkentäjärjestelmiä. Negatiivinen takaisinkytkentä tapahtuu, kun järjestelmän ulostulo vähentää tai vaimentaa prosesseja, jotka johtavat kyseisen järjestelmän ulostuloon, jolloin tuotos vähenee. Yleensä negatiiviset takaisinkytkennät mahdollistavat järjestelmien itsesäätymisen. Negatiivinen takaisinkytkentä on elimistön homeostaasin tärkeä säätelymekanismi.

näit esimerkin lämpötilaan kohdistetusta takaisinkytkennästä ja tunnistit siihen liittyvät komponentit. Tämä on tärkeä esimerkki siitä, miten negatiivinen takaisinkytkentäsilmukka ylläpitää homeostaasia on kehon lämmönsäätelymekanismi. Keho ylläpitää suhteellisen tasaista sisälämpötilaa kemiallisten prosessien optimoimiseksi. Kehon lämpöherkkien termoreseptorien hermoimpulssit viestivät hypotalamukselle. Aivoissa sijaitseva hypotalamus vertaa ruumiinlämpöä asetettuun pistearvoon.

kun kehon lämpötila laskee, hypotalamus käynnistää useita fysiologisia reaktioita lisätäkseen lämmöntuotantoa ja säästääkseen lämpöä:

• pintaverisuonten supistuminen (vasokonstriktio) vähentää lämmön virtausta ihoon.
• alkaa vapina, mikä lisää lihasten lämmöntuotantoa.
• lisämunuaiset erittävät stimuloivia hormoneja kuten noradrenaliinia ja epinefriiniä kiihdyttääkseen aineenvaihduntaa ja siten lämmöntuotantoa.

nämä vaikutukset nostavat ruumiinlämpöä. Kun se palaa normaaliksi, hypotalamus ei enää stimuloidu, ja nämä vaikutukset lakkaavat.

kun kehon lämpötila nousee, hypotalamus käynnistää useita fysiologisia vasteita vähentääkseen lämmöntuotantoa ja menettääkseen lämpöä:

• pintaverisuonten laajeneminen (vasodilataatio) lisää lämmön virtausta ihoon ja huuhtoutuu.
• hikirauhaset vapauttavat vettä (hikeä) ja haihtuminen viilentää ihoa.

nämä vaikutukset alentavat ruumiinlämpöä. Kun se palaa normaaliksi, hypotalamus ei enää stimuloidu, ja nämä vaikutukset lakkaavat.

monilla homeostaattisilla mekanismeilla, kuten lämpötilalla, on erilainen vaste, jos muuttuja on asetuspisteen ylä-tai alapuolella. Kun lämpötila nousee, hikoilemme, kun se laskee, vapiseemme. Nämä vasteet käyttävät erilaisia efektoreita muuttujan säätämiseen. Muissa tapauksissa takaisinkytkentäsilmukka käyttää samaa efektoria säätääkseen muuttujan takaisin kohti asetettua pistettä, olipa muuttujan alkumuutos joko asetetun pisteen ylä-tai alapuolella. Esimerkiksi pupillien halkaisijaa säädetään sen varmistamiseksi, että silmään tulee sopiva määrä valoa. Jos valon määrä on liian pieni, pupilli laajenee, jos se on liian korkea, pupilli supistuu.

tätä voisi verrata ajamiseen. Jos nopeutesi on asetuspisteen yläpuolella (arvo, jonka haluat sen olevan), voit joko vain laskea kaasupolkimen (eli rannikon) tasoa tai voit aktivoida toisen järjestelmän — jarrun. Molemmissa tapauksissa olet hidas, mutta se voidaan tehdä joko vain ”varmuuskopiointi” pois yksi järjestelmä, tai lisäämällä toinen järjestelmä.

Katsotaanpa, miten nämä kaksi esimerkkiä vaikuttavat normaaliin verenpaineen homeostaasiin.

verenpainetta mitataan, kun kiertävä veri painaa kehon valtimoiden seinämiä. Verenpaine syntyy aluksi sydämen supistumisesta. Supistumisen voimakkuuden ja nopeuden muutokset liittyvät suoraan verenpaineen muutoksiin. Muutokset veren tilavuudessa olisivat myös suoraan yhteydessä verenpaineen muutoksiin. Verisuonten halkaisijan muutokset, joiden läpi veri kulkee, muuttavat vastustuskykyä ja niillä on päinvastainen muutos verenpaineessa. Verenpaineen homeostaasissa reseptorit tarkkailevat verenpainetta ja säätökeskukset aloittavat efektoreiden muutokset pitääkseen sen normaalialueella.

Itsetarkistuskysymykset

käy alla olevalla Visalla tarkistamassa käsityksesi Homeostaasista: