Ricorda che l’omeostasi è il mantenimento di un ambiente interno relativamente stabile. Quando è presente uno stimolo o un cambiamento nell’ambiente, i cicli di feedback rispondono per mantenere i sistemi funzionanti vicino a un set point o livello ideale.

In genere, dividiamo i cicli di feedback in due tipi principali:

1. cicli di feedback positivi, in cui un cambiamento in una data direzione provoca ulteriori cambiamenti nella stessa direzione.Ad esempio, un aumento della concentrazione di una sostanza provoca un feedback che produce continui aumenti di concentrazione.
2. loop di feedback negativo, in cui un cambiamento in una data direzione provoca cambiamenti nella direzione opposta.Ad esempio, un aumento della concentrazione di una sostanza provoca un feedback che alla fine fa diminuire la concentrazione della sostanza.

I loop di feedback positivi sono sistemi intrinsecamente instabili. Poiché un cambiamento in un input provoca risposte che producono continui cambiamenti nella stessa direzione, i cicli di feedback positivi possono portare a condizioni di fuga. Il termine feedback positivo è tipicamente usato fintanto che una variabile ha la capacità di amplificarsi, anche se i componenti di un ciclo (recettore, centro di controllo ed effettore) non sono facilmente identificabili. Nella maggior parte dei casi, il feedback positivo è dannoso, ma ci sono alcuni casi in cui il feedback positivo, se usato in modo limitato, contribuisce alla normale funzione. Ad esempio, durante la coagulazione del sangue, una cascata di proteine enzimatiche si attiva a vicenda, portando alla formazione di un coagulo di fibrina che impedisce la perdita di sangue. Uno degli enzimi nella via, chiamato trombina, non solo agisce sulla proteina successiva nella via, ma ha anche la capacità di attivare una proteina che l’ha preceduta nella cascata. Quest’ultimo passaggio porta ad un ciclo di feedback positivo, in cui un aumento della trombina porta ad ulteriori aumenti della trombina. Va notato che ci sono altri aspetti della coagulazione del sangue che mantengono il processo complessivo sotto controllo, in modo tale che i livelli di trombina non aumentano senza limiti. Ma se consideriamo solo gli effetti della trombina su se stessa, è considerato un ciclo di feedback positivo. Anche se alcuni possono considerare questo un ciclo di feedback positivo, tale terminologia non è universalmente accettata.

I loop di feedback negativi sono sistemi intrinsecamente stabili. I cicli di feedback negativo, in combinazione con i vari stimoli che possono influenzare una variabile, producono tipicamente una condizione in cui la variabile oscilla attorno al set point. Ad esempio, i cicli di feedback negativi che coinvolgono insulina e glucagone aiutano a mantenere i livelli di glucosio nel sangue entro un intervallo di concentrazione ristretto. Se i livelli di glucosio diventano troppo alti, il corpo rilascia insulina nel flusso sanguigno. L’insulina fa sì che le cellule del corpo assumano e immagazzinino il glucosio, abbassando la concentrazione di glucosio nel sangue. Se il glucosio nel sangue diventa troppo basso, il corpo rilascia glucagone, che causa il rilascio di glucosio da alcune delle cellule del corpo.

Feedback positivo

In un meccanismo di feedback positivo, l’uscita del sistema stimola il sistema in modo tale da aumentare ulteriormente l’uscita. Termini comuni che potrebbero descrivere cicli o cicli di feedback positivi includono “snowballing”e ” reazione a catena”. Senza una reazione o un processo di controbilanciamento o di “arresto”, un meccanismo di feedback positivo ha il potenziale per produrre un processo in fuga. Come notato, ci sono alcuni processi fisiologici che sono comunemente considerati come feedback positivo, anche se non tutti possono avere componenti identificabili di un ciclo di feedback. In questi casi, il ciclo di feedback positivo termina sempre con la contro-segnalazione che sopprime lo stimolo originale.

Un buon esempio di feedback positivo comporta l’amplificazione delle contrazioni del travaglio. Le contrazioni vengono avviate mentre il bambino si muove in posizione, allungando la cervice oltre la sua posizione normale. Il feedback aumenta la forza e la frequenza delle contrazioni fino alla nascita del bambino. Dopo la nascita, lo stretching si ferma e il ciclo viene interrotto.

Un altro esempio di feedback positivo si verifica durante l’allattamento, durante il quale una madre produce latte per il suo bambino. Durante la gravidanza, i livelli dell’ormone prolattina aumentano. La prolattina normalmente stimola la produzione di latte, ma durante la gravidanza, il progesterone inibisce la produzione di latte. Alla nascita, quando la placenta viene rilasciata dall’utero, i livelli di progesterone diminuiscono. Di conseguenza, la produzione di latte aumenta. Mentre il bambino si nutre, il suo allattamento stimola il seno, promuovendo un ulteriore rilascio di prolattina, con conseguente produzione di latte ancora maggiore. Questo feedback positivo assicura che il bambino abbia latte sufficiente durante l’alimentazione. Quando il bambino viene svezzato e non è più infermiere dalla madre, la stimolazione cessa e la prolattina nel sangue della madre ritorna ai livelli pre-allattamento.

Quanto sopra fornisce esempi di meccanismi di feedback positivi benefici. Tuttavia, in molti casi, un feedback positivo può essere potenzialmente dannoso per i processi vitali. Ad esempio, la pressione sanguigna può diminuire in modo significativo se una persona perde molto sangue a causa di un trauma.

La pressione sanguigna è una variabile regolata che porta il cuore ad aumentare la sua frequenza (cioè aumenta la frequenza cardiaca) e a contrarsi più fortemente. Questi cambiamenti al cuore fanno sì che abbia bisogno di più ossigeno e sostanze nutritive, ma se il volume di sangue nel corpo è troppo basso, il tessuto cardiaco stesso non riceverà abbastanza flusso sanguigno per soddisfare questi bisogni aumentati. Lo squilibrio tra le richieste di ossigeno del cuore e l’apporto di ossigeno può portare a ulteriori danni al cuore, che in realtà abbassa la pressione sanguigna, fornendo un cambiamento maggiore nella variabile (pressione sanguigna). Il ciclo risponde cercando di stimolare il cuore ancora più forte, portando a ulteriori danni al cuore…e il ciclo continua fino alla morte.

Feedback negativo

La maggior parte dei sistemi di feedback biologici sono sistemi di feedback negativo. Il feedback negativo si verifica quando l’output di un sistema agisce per ridurre o smorzare i processi che portano all’output di quel sistema, con conseguente riduzione dell’output. In generale, i loop di feedback negativi consentono ai sistemi di auto-stabilizzarsi. Il feedback negativo è un meccanismo di controllo vitale per l’omeostasi del corpo.

Hai visto un esempio di un ciclo di feedback applicato alla temperatura e identificato i componenti coinvolti. Questo è un esempio importante di come un ciclo di feedback negativo mantiene l’omeostasi è il meccanismo di termoregolazione del corpo. Il corpo mantiene una temperatura interna relativamente costante per ottimizzare i processi chimici. Gli impulsi neurali dei termorecettori sensibili al calore nel corpo segnalano l’ipotalamo. L’ipotalamo, situato nel cervello, confronta la temperatura corporea con un valore di set point.

Quando la temperatura corporea scende, l’ipotalamo avvia diverse risposte fisiologiche per aumentare la produzione di calore e conservare il calore:

• Il restringimento dei vasi sanguigni superficiali (vasocostrizione) diminuisce il flusso di calore alla pelle.
• Inizia il brivido, aumentando la produzione di calore da parte dei muscoli.
• Le ghiandole surrenali secernono ormoni stimolanti come noradrenalina ed epinefrina per aumentare i tassi metabolici e quindi la produzione di calore.

Questi effetti causano un aumento della temperatura corporea. Quando ritorna alla normalità, l’ipotalamo non viene più stimolato e questi effetti cessano.

Quando la temperatura corporea sale, l’ipotalamo inizia diverse risposte fisiologiche per diminuire la produzione di calore e perde calore:

• Ampliamento della superficie dei vasi sanguigni (vasodilatazione) aumenta il flusso di calore per la pelle e ottenere lavata.
• Le ghiandole sudoripare rilasciano acqua (sudore) e l’evaporazione raffredda la pelle.

Questi effetti causano la diminuzione della temperatura corporea. Quando ritorna alla normalità, l’ipotalamo non viene più stimolato e questi effetti cessano.

Molti meccanismi omeostatici, come la temperatura, hanno risposte diverse se la variabile è al di sopra o al di sotto del set point. Quando la temperatura aumenta, sudiamo, quando diminuisce, rabbrividiamo. Queste risposte utilizzano diversi effettori per regolare la variabile. In altri casi, un ciclo di feedback utilizzerà lo stesso effettuatore per regolare la variabile indietro verso il set point, se il cambiamento iniziale della variabile era sopra o sotto il set point. Ad esempio, il diametro pupillare viene regolato per assicurarsi che una quantità appropriata di luce entri nell’occhio. Se la quantità di luce è troppo bassa, la pupilla si dilata, se è troppo alta, la pupilla si restringe.

Questo potrebbe essere paragonato alla guida. Se la tua velocità è superiore al set point (il valore che vuoi che sia), puoi semplicemente diminuire il livello dell’acceleratore (cioè costa), oppure puoi attivare un secondo sistema: il freno. In entrambi i casi si rallenta, ma può essere fatto semplicemente “backing” su un sistema o aggiungendo un secondo sistema.

Diamo un’occhiata a come questi due esempi funzionano in relazione alla normale omeostasi della pressione sanguigna.

La pressione sanguigna viene misurata mentre il sangue circolante esercita pressione sulle pareti delle arterie del corpo. La pressione sanguigna è creata inizialmente dalla contrazione del cuore. I cambiamenti nella forza e nel tasso di contrazione saranno direttamente correlati ai cambiamenti della pressione sanguigna. I cambiamenti nel volume di sangue sarebbero anche direttamente correlati ai cambiamenti della pressione sanguigna. I cambiamenti nel diametro dei vasi che il sangue attraversa cambieranno la resistenza e avranno un cambiamento opposto sulla pressione sanguigna. L’omeostasi della pressione sanguigna coinvolge i recettori che monitorano la pressione sanguigna e i centri di controllo che iniziano i cambiamenti negli effettori per mantenerli all’interno di un intervallo normale.

Domande di autocontrollo

Fai il quiz qui sotto per verificare la tua comprensione dell’omeostasi: