Skip to main content
LibreTexts - Ukrayinska

10.7: Гомеостаз та зворотній зв'язок

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    5478

    • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

    Стійка, як вона йде

    Цей пристрій виглядає просто, але управляє складною системою, яка підтримує в будинку стабільну температуру. Пристрій являє собою старомодний терморегулятор. Циферблат показує поточну температуру в приміщенні, а також дозволяє мешканцеві встановити термостат на потрібну температуру. Термостат - це часто цитована модель того, як живі системи, включаючи людський організм, підтримують стійкий стан, який називається гомеостазом.

    Термостат Honeywell
    Малюнок\(\PageIndex{1}\): Термостат для будівлі

    Що таке гомеостаз?

    Гомеостаз - це стан, при якому така система, як людський організм, підтримується в більш-менш стійкому стані. Це робота клітин, тканин, органів та систем органів у всьому тілі, щоб підтримувати багато різних змінних у вузьких діапазонах, сумісних з життям. Підтримка стабільного внутрішнього середовища вимагає постійного моніторингу внутрішнього середовища та постійного внесення коректив, щоб тримати речі в рівновазі.

    Уставка і нормальний діапазон

    Для будь-якої даної змінної, наприклад, температури тіла або рівня глюкози в крові, існує певна уставка, яка є фізіологічним оптимальним значенням. Наприклад, уставка для температури тіла людини становить близько 37 ºC (98,6 ºF). Оскільки організм працює для підтримки гомеостазу температури або будь-якої іншої внутрішньої змінної, значення зазвичай коливається навколо заданої точки. Такі коливання є нормальними до тих пір, поки вони не стануть занадто екстремальними. Розкид значень, в межах якого такі коливання вважаються незначними, називається нормальним діапазоном. Наприклад, у випадку температури тіла нормальний діапазон для дорослої людини становить приблизно від 36,5 до 37,5 ºC (від 97,7 до 99,5 ºF).

    Підтримка гомеостазу

    Гомеостаз зазвичай підтримується в організмі людини надзвичайно складним балансуючим актом. Незалежно від того, яка змінна зберігається в межах норми, підтримка гомеостазу вимагає принаймні чотирьох взаємодіючих компонентів: стимул, датчик, центр управління та ефектор.

    1. Стимул забезпечується змінною, яка регулюється. Як правило, стимул вказує на те, що значення змінної відійшло від заданої точки або вийшло з нормального діапазону.
    2. Датчик відстежує значення змінної і відправляє дані по ній в центр управління.
    3. Центр управління зіставляє дані з нормальними значеннями. Якщо значення не знаходиться в заданій точці або знаходиться поза нормальним діапазоном, центр управління посилає сигнал на ефектор.
    4. Ефектор - це орган, залоза, м'яз або інша структура, яка діє на сигнал від центру управління для переміщення змінної назад до заданої точки.

    Кожен з цих компонентів проілюстрований на малюнку\(\PageIndex{2}\). Діаграма зліва є загальною моделлю, що показує, як компоненти взаємодіють для підтримки гомеостазу. Стимул активує датчик. Датчик активує систему управління, яка регулює ефект. На схемі праворуч показаний приклад температури тіла. З діаграм видно, що підтримка гомеостазу передбачає зворотний зв'язок, тобто дані, які повертаються для контролю відповіді. Висока температура тіла може стимулювати регуляторний центр температури мозку, щоб активувати потові залози, щоб знизити температуру тіла. Коли температура тіла досягає нормального діапазону, вона діє як негативний зворотний зв'язок для зупинки процесу. Відгуки можуть бути негативними або позитивними. Всі механізми зворотного зв'язку, що підтримують гомеостаз, використовують негативні відгуки. Біологічні приклади позитивних відгуків зустрічаються набагато рідше.

    Негативні петлі зворотного зв'язку людського організму
    Малюнок\(\PageIndex{2}\): Підтримка гомеостазу за допомогою зворотного зв'язку вимагає стимулу, датчика, центру управління та ефектора

    Негативні відгуки

    У петлі негативного зворотного зв'язку зворотний зв'язок служить для зменшення надмірної реакції та утримання змінної в межах норми. Приклади процесів, керованих негативним зворотним зв'язком, включають регуляцію температури тіла і контроль рівня глюкози в крові.

    Температура тіла

    Регулювання температури тіла передбачає негативний зворотний зв'язок, знижує вона температуру або підвищує її (рис.\(\PageIndex{3}\)).

    Охолодження

    Центром регулювання температури людського тіла є гіпоталамус в головному мозку. Коли гіпоталамус отримує дані від датчиків шкіри та мозку про те, що температура тіла вище заданої, він приводить в рух наступні відповіді:

    • Кровоносні судини в шкірі розширюються (розширення судин), щоб більше крові з теплого ядра тіла текти близько до поверхні тіла, тому тепло може випромінюватися в навколишнє середовище.
    • У міру збільшення припливу крові до шкіри потові залози в шкірі активізуються для збільшення їх виведення поту (потовиділення). Коли піт випаровується з поверхні шкіри в навколишнє повітря, він забирає з собою тепло.
    • Дихання стає глибшим, і людина може дихати через рот замість носових ходів. Це збільшує тепловтрати з легких.
    Регулювання температури за допомогою негативного зворотного зв'язку
    Малюнок\(\PageIndex{3}\): Гіпоталамус відіграє головну роль у регулюванні температури

    Нагрівання

    Коли центр регулювання температури мозку отримує дані про те, що температура тіла нижча за задану, він приводить в рух наступні відповіді:

    • Кровоносні судини в шкірі скорочуються (звуження судин), щоб запобігти надходженню крові близько до поверхні тіла. Це зменшує тепловтрати з поверхні.
    • Коли температура падає нижче, спрацьовують випадкові сигнали до скелетних м'язів, змушуючи їх скорочуватися. Це викликає тремтіння, яке виділяє невелику кількість тепла.
    • Щитовидна залоза може стимулюватися мозком (через гіпофіз), щоб виділяти більше гормонів щитовидної залози. Цей гормон підвищує метаболічну активність і вироблення тепла в клітині по всьому тілу.
    • Наднирники також можуть стимулюватися до виділення гормону адреналіну. Цей гормон викликає розпад глікогену (вуглеводів, що використовується для зберігання енергії у тварин) до глюкози, яку можна використовувати як джерело енергії. Цей катаболічний хімічний процес є екзотермічним, або виробляє тепло.

    Глюкоза в крові

    При контролі рівня глюкози в крові певні ендокринні клітини підшлункової залози, звані альфа- і бета-клітинами, виявляють рівень глюкози в крові. Потім вони реагують відповідним чином, щоб підтримувати рівень глюкози в крові в межах норми.

    • Якщо рівень глюкози в крові піднімається вище норми, бета-клітини підшлункової залози виділяють гормон інсулін в кров. Інсулін сигналізує клітинам забирати надлишок глюкози з крові до тих пір, поки рівень глюкози в крові не знизиться до норми.
    • Якщо рівень глюкози в крові падає нижче норми, альфа-клітини підшлункової залози виділяють гормон глюкагон в кров. Глюкагон сигналізує клітинам розщеплювати накопичений глікоген до глюкози і вивільняти глюкозу в кров до тих пір, поки рівень глюкози в крові не підвищиться до нормального діапазону.

    Позитивні відгуки

    У циклі позитивного зворотного зв'язку зворотний зв'язок служить для посилення відповіді до досягнення кінцевої точки. Приклади процесів, контрольованих позитивними відгуками в організмі людини, включають згортання крові і пологи.

    Згортання крові

    Коли рана викликає кровотечу, організм відповідає петлею позитивного зворотного зв'язку, щоб згорнути кров і зупинити крововтрату. Речовини, що виділяються травмованою стінкою кровоносної судини, починають процес згортання крові. Тромбоцити в крові починають чіплятися за травмоване місце і виділяти хімічні речовини, які залучають додаткові тромбоцити. Оскільки тромбоцити продовжують накопичуватися, виділяється більше хімічних речовин і більше тромбоцитів притягується до місця згустку. Позитивні відгуки прискорюють процес згортання до тих пір, поки згусток не стане досить великим, щоб зупинити кровотечу.

    Пологи через позитивні відгуки
    Малюнок\(\PageIndex{4}\): Нормальні пологи керуються петлею позитивного зворотного зв'язку. Позитивний зворотний зв'язок викликає зростаюче відхилення від нормального стану до фіксованої кінцевої точки, а не повернення до нормальної заданої точки, як при гомеостазі.

    пологи

    \(\PageIndex{4}\)На малюнку показана петля позитивного зворотного зв'язку, яка контролює пологи. Процес в нормі починається тоді, коли головка немовляти штовхається на шийку матки. Це стимулює нервові імпульси, які проходять від шийки матки до гіпоталамуса в головному мозку. У відповідь гіпоталамус посилає гормон окситоцин до гіпофіза, який виділяє його в кров, щоб він міг переноситися до матки. Окситоцин стимулює скорочення матки, які сильніше штовхають дитину до шийки матки. У відповідь шийка матки починає розширюватися при підготовці до проходження малюка. Цей цикл позитивного зворотного зв'язку триває зі збільшенням рівня окситоцину, сильнішими скороченнями матки та більш широким розширенням шийки матки до тих пір, поки дитина не буде виштовхнута через родові шляхи та з організму. У цей момент шийка матки більше не стимулюється посилати нервові імпульси в мозок, і весь процес зупиняється.

    Коли гомеостаз не вдається

    Гомеостатичні механізми працюють безперервно для підтримки стабільних умов в організмі людини. Іноді, однак, механізми виходять з ладу. Коли вони це роблять, може призвести до гомеостатичного дисбалансу, при якому клітини можуть не отримати все необхідне або токсичні відходи можуть накопичуватися в організмі. Якщо гомеостаз не відновити, дисбаланс може призвести до захворювання або навіть смерті. Діабет є прикладом захворювання, викликаного гомеостатическим дисбалансом. У разі діабету рівень глюкози в крові більше не регулюється і може бути небезпечно високим. Медичне втручання може допомогти відновити гомеостаз і, можливо, запобігти постійному пошкодженню організму.

    Характеристика: Моє людське тіло

    Діабет діагностується у людей, які мають аномально високий рівень глюкози в крові після голодування протягом не менше 12 годин. Рівень глюкози в крові натще нижче 100 є нормальним. Рівень від 100 до 125 ставить вас до категорії до діабету, а рівень вище 125 призводить до діагностики діабету.

    З двох типів діабету діабет 2 типу є найпоширенішим, на нього припадає близько 90 відсотків усіх випадків діабету в США. Цукровий діабет 2 типу зазвичай починається після 40 років. Однак через різке збільшення в останні десятиліття ожиріння у молодих людей вік, в якому діагностується діабет 2 типу, впав. Навіть дітям зараз діагностують цукровий діабет 2 типу. Сьогодні близько 30 мільйонів американців мають діабет 2 типу, а ще 90 мільйонів мають переддіабет.

    Ви, швидше за все, будете мати ваш рівень глюкози в крові під час звичайного медичного обстеження. Якщо рівень глюкози в крові вказує на те, що у вас діабет, це може стати шоком для вас, оскільки у вас може не бути жодних симптомів захворювання. Ви не самотні, тому що кожен четвертий діабетик не знає, що у них є хвороба. Після того, як діагноз діабету занурюється, ви можете бути спустошені новинами. Діабет може призвести до інфарктів, інсультів, сліпоти, ниркової недостатності та втрати пальців ніг або ніг. Ризик смерті у дорослих з діабетом на 50 відсотків більше, ніж у дорослих без діабету, а діабет є сьомою провідною причиною смерті у дорослих. Крім того, контроль діабету зазвичай вимагає частого аналізу глюкози в крові, спостереження за тим, що і коли ви їсте, і прийом ліків або навіть ін'єкцій інсуліну. Все це може здатися непосильним.

    Хороша новина полягає в тому, що зміна способу життя може зупинити прогресування діабету 2 типу або навіть повернути його назад. Ось як:

    • Схуднути. Будь-яка втрата ваги приносить користь. Втрата всього семи відсотків вашої ваги може бути все, що потрібно, щоб зупинити діабет у своїх слідах. Особливо важливо усунути зайву вагу навколо талії.
    • Регулярно виконуйте вправи. Слід намагатися займатися фізичними вправами п'ять днів на тиждень не менше 30 хвилин. Це не тільки знизить рівень цукру в крові і допоможе інсуліну працювати краще; це також знизить артеріальний тиск і покращить здоров'я серця. Ще одним бонусом фізичних вправ є те, що це допоможе вам схуднути за рахунок збільшення основного метаболізму.
    • Прийняти здорову дієту. Зменшіть споживання рафінованих вуглеводів, таких як солодощі та солодкі напої. Збільште споживання продуктів, багатих клітковиною, таких як фрукти, овочі та цільні зерна. Близько чверті кожного прийому їжі повинна складатися з високобілкових продуктів, таких як риба, курка, молочні продукти, бобові або горіхи.
    • Контролюйте стрес. Стрес може збільшити рівень глюкози в крові, а також підвищити кров'яний тиск і ризик серцевих захворювань. Коли ви відчуваєте стрес, робіть дихальні вправи або зробіть жваву прогулянку або пробіжку. Також постарайтеся замінити стресові думки більш заспокійливими.
    • Встановити систему підтримки. Заручитися допомогою та підтримкою близьких людей, а також медичних працівників, таких як дієтолог та вихователь діабету. Наявність системи підтримки допоможе переконатися, що ви знаходитесь на шляху до оздоровлення і що ви можете дотримуватися вашого плану.

    Рецензія

    1. Що таке гомеостаз?
    2. Визначте уставку і нормальний діапазон для фізіологічних заходів.
    3. Визначте та визначте чотири взаємодіючі компоненти, які підтримують гомеостаз у петлі зворотного зв'язку.
    4. Порівняйте і контрастуйте негативні і позитивні петлі зворотного зв'язку.
    5. Поясніть, як негативні відгуки контролюють температуру тіла.
    6. Наведіть два приклади фізіологічних процесів, які контролюються петлями позитивного зворотного зв'язку.
    7. Петля негативного зворотного зв'язку:
      1. повертає рівень змінної до нормального діапазону
      2. може знижувати, але не підвищувати, температуру тіла
      3. це тип зворотного зв'язку, який бере участь у згортанні крові
      4. А і Б
    8. Під час грудного вигодовування подразник смоктання малюка на соску збільшує кількість молока, що виробляється матір'ю. Чим більше смоктання, тим більше молока зазвичай виробляється.
      1. Це приклад негативних або позитивних відгуків? Поясніть свою відповідь.
      2. Як ви думаєте, що може бути еволюційною перевагою механізму регулювання виробництва молока, описаного в частині a?
    9. Поясніть, чому гомеостаз регулюється петлями негативного зворотного зв'язку, а не позитивними петлями зворотного зв'язку.
    10. Уставка, як правило, становить:
      1. верхня частина нормального діапазону
      2. нижня частина нормального діапазону
      3. в середині нормального діапазону
      4. точка, в якій зміни більше не можуть відбуватися
    11. Рівень статевого гормону, тестостерону (Т), контролюється негативними відгуками. Інший гормон, гонадотропін-рилізинг гормон (GnRH), вивільняється гіпоталамусом мозку, який запускає гіпофіз для вивільнення лютеїнізуючого гормону (ЛГ). ЛГ стимулює статеві залози виробляти Т. Коли в крові занадто багато Т, він харчується назад гіпоталамусом, змушуючи його виробляти менше GnRH. Хоча це не описує всі петлі зворотного зв'язку, що беруть участь у регулюванні T, дайте відповідь на наступні запитання щодо цього конкретного циклу зворотного зв'язку.
      1. Що таке стимул в цій системі? Поясніть свою відповідь.
      2. Що таке центр управління в цій системі? Поясніть свою відповідь.
      3. Що вважається гіпофізом в цій системі: стимул, датчик, центр управління або ефектор? Поясніть свою відповідь.

    Атрибуції

    1. Термостат Honeywell Вінсент де Гроот, ліцензований CC BY 4.0 через Wikimedia Commons
    2. Цикл негативного зворотного зв'язку OpenStax, ліцензований CC BY 4.0 через Вікісховище
    3. Регулювання температури, присвячене CC0 через Вікісховище
    4. Позитивний відгук про вагітність від OpenStax, ліцензований CC BY 4.0 через Wikimedia Commons
    5. Текст адаптований з біології людини CK-12 ліцензований CC BY-NC 3.0