21.2: Гомеостаз та захворювання

Круїз-контроль

Уявіть собі їзду по цій, здавалося б, нескінченній Сподіваємося, ваш уявний автомобіль оснащений круїз-контролем. Круїз-контроль може допомогти зберегти вас у безпеці, а також допомогти вам уникнути квитка на перевищення швидкості, зберігаючи швидкість автомобіля на обмеження швидкості. Круїз-контроль працює шляхом контролю швидкості автомобіля і регулювання дросельної заслінки в міру необхідності, щоб тримати швидкість у вузькому діапазоні навколо встановленого обмеження швидкості. Якщо автомобіль починає їхати швидше, ніж встановлений ліміт, це змушує дросель виділяти менше газу, поки швидкість не впаде назад до уставки. Навпаки відбувається, якщо швидкість автомобіля починає опускатися нижче встановленого обмеження швидкості. Круїз-контроль на автомобілі - хороша аналогія для фізіологічних механізмів, які підтримують організм людини в стійкому стані.

Гомеостаз

Рисунок\(\PageIndex{1}\): Концентрація глюкози в крові підтримується в межах від 70 до 110 мг/дл двома петлями негативного зворотного зв'язку. Верхня петля використовує інсулін, щоб повернути більш високі значення в межах норми, а нижня петля використовує глюкагон, щоб повернути нижчі значення в межах норми.

Коли організм людини підтримується в стійкому стані, стан називається гомеостазом. Тіло складається з трильйонів клітин, які виконують безліч різних функцій, але всі вони вимагають подібного внутрішнього середовища з важливими змінними, що зберігаються у вузьких діапазонах. Наприклад, клітинам потрібен певний діапазон температури тіла, рН позаклітинних рідин і концентрації мінеральних іонів і глюкози в крові. Кожна з цих змінних повинна підтримуватися у вузькому діапазоні значень незалежно від змін зовнішнього середовища, споживаної їжі, рівня активності організму або інших змін в організмі людини.

Гомеостати

Зберігання всіх внутрішніх змінних організму в межах норми - це функція фізіологічних механізмів, які називаються гомеостатами. Різні змінні контролюються різними гомеостатами, але всі гомеостати працюють однаково загальним чином. Відчувається стимул від змінної, про яку йде мова, і порівнюється з нормальним діапазоном значень для змінної. Якщо фактичне значення змінної знаходиться за межами нормального діапазону, вона викликає відповідь, яка працює на переміщення змінної назад в межах норми. Всі гомеостати використовують негативні петлі зворотного зв'язку, щоб повернути надмірно високі або низькі значення змінної в межах норми.

Контроль рівня глюкози в крові

Розглянемо на прикладі контроль концентрації глюкози в крові. Гомеостат, який керує цією змінною, проілюстрований і описаний на рис\(\PageIndex{1}\). Первинними датчиками, які контролюють концентрацію глюкози в крові, є бета-клітини підшлункової залози. Якщо бета-клітини виявляють підвищення концентрації глюкози в крові вище норми, вони виділяють гормон інсулін в кров. Інсулін, в свою чергу, діє на клітини всього організму, стимулюючи їх забирати глюкозу з крові і використовувати її для клітинного дихання. Інсулін також стимулює клітини печінки забирати глюкозу з крові і перетворювати її в складний вуглеводний глікоген для зберігання. У той же час інсулін гальмує печінку розщеплювати накопичений глікоген і виділяти його у вигляді глюкози. Інсулін також пригнічує ендоплазматичну ретикулу (ЕР) клітин від перетворення амінокислот і гліцерину в глюкозу.

Якщо бета-клітини виявляють падіння концентрації глюкози в крові нижче норми, вони припиняють секрецію інсуліну в кров, а альфа-клітини підшлункової залози стимулюються до виділення гормону глюкагону в кров. Глюкагон, в свою чергу, гальмує поглинання глюкози з крові печінкою і жировими і м'язовими клітинами по всьому тілу. Замість цього печінку стимулюють виробляти глюкозу, розщеплюючи накопичений глікоген, а ER в клітині стимулюється, щоб зробити глюкозу з амінокислот та гліцерину. Глюкоза з усіх цих джерел виділяється в кров, щоб повернути концентрацію глюкози в крові до нормального діапазону.

Гомеостатичний дисбаланс і захворювання

Малюнок\(\PageIndex{2}\): Білі гексагональні форми в крові, показані тут, представляють молекули глюкози. Більш висока, ніж норма, концентрація глюкози в крові (нижнє коло) являє собою гомеостатичний дисбаланс, який виникає при діабеті 1 типу.

Іноді гомеостат не вдається виконати належним чином. Це може спричинити гомеостатичний дисбаланс - стан, при якому змінні у внутрішньому середовищі більше не підтримуються в межах нормальних діапазонів. В результаті клітини можуть отримати не все необхідне, або токсичні відходи можуть накопичуватися в клітині. Зрештою, гомеостатичний дисбаланс може призвести до захворювання. Термін хвороба може бути широко визначена як стан, який пов'язаний з порушенням нормального функціонування організму. Хворобні стани можуть спричинити - а також бути спричинені - неспроможністю гомеостатів підтримувати гомеостаз.

Дисбаланс глюкози в крові: Діабет 1 типу

Одним з найвідоміших прикладів захворювання, викликаного гомеостатичним дисбалансом, є діабет 1 типу. При діабеті 1 типу гомеостат глюкози в крові перестає функціонувати через те, що бета-клітини підшлункової залози руйнуються, найчастіше власною імунною системою організму. Без бета-клітин датчики глюкози в крові в організмі відсутні і інсулін не виробляється у відповідь на високі концентрації глюкози в крові. Без інсуліну клітини не стимулюються забирати глюкозу з крові, печінка не перетворює глюкозу в глікоген для зберігання, а перетворення амінокислот і гліцерину в глюкозу не пригнічується. В результаті концентрація глюкози в крові може піднятися до небезпечно високих рівнів (рис.\(\PageIndex{2}\)).

Якщо високі концентрації глюкози в крові при діабеті 1 типу не контролюються, вони можуть призвести до подальшого гомеостатичного дисбалансу, пошкоджуючи тканини та органи по всьому тілу. Наприклад, висока концентрація глюкози в крові може пошкодити судини в нирках і викликати захворювання нирок і навіть ниркову недостатність. Нездатність нирок нормально функціонувати викликає подальший гомеостатичний дисбаланс, оскільки нирки не в змозі адекватно фільтрувати кров. Це може призвести до високого рівня кислоти в крові та дисбалансу концентрації мінеральних іонів в крові. Дисбаланс мінеральних іонів, в свою чергу, може негативно позначитися на здоров'ї кісток. Ниркова недостатність також може мати згубний вплив на серцево-судинну функцію і викликати серцево-судинні захворювання. Насправді смерть від серцево-судинних захворювань викликає близько половини всіх смертей людей з запущеною нирковою недостатністю.

Старіння, гомеостатичний дисбаланс та захворювання

Нормальний процес старіння може призвести до зниження ефективності гомеостатів організму. Це робить людей похилого віку більш сприйнятливими до захворювань. Наприклад, людям похилого віку може бути важче регулювати температуру тіла. Це одна з причин, чому вони частіше, ніж у молодих людей, розвиваються тепловий удар та інші захворювання, викликані перегрівом організму. Літнім людям також важче боротися з багатьма інфекційними захворюваннями та раком.

види захворювання

Хоча практично всі захворювання певним чином пов'язані з гомеостатичним дисбалансом, існує багато різних основних причин захворювання. Наприклад, деякі захворювання викликаються хвороботворними мікроорганізмами, тоді як інші - ні.

Інфекційні проти неінфекційних захворювань

Збудниками є збудники - зазвичай мікроорганізми - які викликають захворювання. Захворювання, спричинені збудниками, називаються інфекційними або інфекційними захворюваннями, оскільки збудники можуть поширювати захворювання, переходячи від господаря до господаря. Типи збудників, які зазвичай викликають захворювання людини, включають бактерії, віруси, гриби та найпростіші (рис.\(\PageIndex{3}\)). Приклади інфекційних захворювань включають застуду, грип, вітрянку, холеру та малярію. Деякі інфекційні захворювання поширюються тільки або в основному через статевий контакт. Ці захворювання називаються інфекціями, що передаються статевим шляхом (ІПСШ), і включають гонорею та сифіліс (див. Концепцію інфекцій, що передаються статевим шляхом, щоб дізнатися більше).

Захворювання, які не викликані збудниками, називаються неінфекційними захворюваннями. Їх ще називають неінфекційними захворюваннями, оскільки вони не поширюються від людини до людини. Приклади неінфекційних захворювань включають діабет, більшість видів раку та серцево-судинні захворювання. Існує безліч можливих причин виникнення неінфекційних захворювань. Вони включають успадковані мутації, вплив токсинів навколишнього середовища, таких як забруднення повітря, і нездоровий спосіб життя, такий як переїдання або куріння.

Малюнок\(\PageIndex{3}\): Одноклітинні протисти в роду Plasmodium заражають людей і викликають малярію. Мікрофотографії 4 різних видів: plasmodium falciparum, Plasmodium ovale, Plasmodium malaria та Plasmodium vivax, наведені вище. Збудник передається зараженими комарами, коли вони кусають людей.

Гострі проти хронічних захворювань

Більшість інфекційних захворювань також є гострими захворюваннями. Гостре захворювання - короткочасне захворювання. Після того як людина захворіє, гостре захворювання або проходить свій перебіг (з медичним втручанням або без нього), поки людині не стане краще, або хвороба призводить до загибелі зараженої особини.

Багато неінфекційні захворювання є хронічними захворюваннями. Хронічне захворювання - це тривале або навіть довічне захворювання. Наприклад, люди, які розвивають діабет 1 типу, мають захворювання на все життя, як і більшість людей, які розвивають серцево-судинні захворювання. Деякі неінфекційні захворювання, такі як рак, можуть бути вилікувані або вони можуть бути під контролем як хронічні захворювання за допомогою ліків. Деякі інфекційні захворювання також є хронічними, а не гострими захворюваннями, оскільки вони викликані збудниками, які організм не може усунути. Прикладами можуть служити віруси, що викликають герпес та СНІД.

Епідемічні, пандемічні та ендемічні захворювання

Деякі інфекційні захворювання час від часу поширюються через населення як масштабні спалахи захворювань, які називаються епідеміями, але не завжди присутні у населення, принаймні не на високих рівнях. Такі захворювання називаються епідемічними захворюваннями. Прикладом може служити грип (грип). У Сполучених Штатах грип поширюється серед населення в певний час щороку (як правило, з листопада по квітень), але зазвичай не зустрічається в інші пори року.

Деякі епідемічні захворювання призводять до пандемій. Пандемія - це епідемія, яка поширюється на кілька груп населення, часто на континентах або навіть у всьому світі. Протягом історії людства було багато пандемій інфекційних захворювань. Однією з найбільш руйнівних пандемій була пандемія Чорної Смерті (бубонної чуми), яка поширилася по всій Європі та більшій частині Азії в середині 1300-х років. У цій пандемії загинуло приблизно 75 мільйонів людей. Більш пізні пандемії включають пандемії грипу, які сталися в 1918 та 2009 роках (див. Докладніше нижче). У грудні 2019 року нова коронавірусна хвороба (COVID 19) поширилася по всіх континентах. До квітня 2021 року вона вбила 3,1 мільйона людей у всьому світі.

Деякі захворювання завжди присутні у популяції. Такі захворювання відносять до ендемічних захворювань. Наприклад, у багатьох тропічних країнах малярія є ендемічним захворюванням. Він цілий рік передається комарами в жаркому кліматі, а не з'являється при періодичних спалахах, які відбуваються тільки в певні пори року.

Вивчення захворювань у людських популяціях

Епідеміологія - це наука, яка фокусується на закономірності, причини та наслідки захворювань у людських популяціях. Це наріжний камінь охорони здоров'я. Він формує рішення щодо політики охорони здоров'я та медичну практику шляхом виявлення факторів ризику захворювання та цілей для профілактичної охорони здоров'я. Термін епідеміологія вперше був застосований для вивчення епідемій, але в даний час він широко застосовується для вивчення захворювань в цілому і навіть для вивчення багатьох нехвороботворних станів, таких як високий кров'яний тиск і ожиріння.

Батько епідеміології

Малюнок\(\PageIndex{4}\): (зліва) доктора Джона Сноу називають батьком епідеміології за його наукове дослідження спалахів холери в Лондоні 19 століття. (праворуч) Копія оригінальної карти Джона Сноу, створеної для показу поширення випадків холери в лондонській епідемії 1854 року. Чорні фігури на карті зображують будинки, де траплялися випадки холери. Всі ці будинки, і тільки ці будинки, отримували свою питну воду з конкретного колодязя, пізніше виявився зараженим людським калом.

Наука про епідеміологію має глибоке коріння. Давньогрецький лікар Гіппократ (приблизно 460 - 379 до н.е.) був першою людиною, яка, як відомо, вивчила взаємозв'язок між виникненням захворювань у популяціях та факторами навколишнього середовища. Він також придумав терміни епідемічний і ендемічний. Через століття грецький лікар на ім'я Гален розробив ідею, що міазма («погане повітря») була причиною таких захворювань, як бубонна чума та холера, ідея, яка була прийнята більшістю лікарів аж до 1800-х років. Однак походження сучасної епідеміології, як правило, приписують англійському лікарю на ім'я Джон Сноу (рис.\(\PageIndex{4}\)), якого часто називають батьком епідеміології. Сноу здобув славу своїми науковими дослідженнями причини епідемій холери, які призвели до багатьох смертей у Лондоні 19 ^{століття}.

Доктор Сноу скептично ставився до досі домінуючої теорії міазми, але зародкова теорія хвороби не буде повністю сформована протягом декількох десятиліть. В результаті Сноу не розумів механізм, за яким передаються такі інфекційні захворювання, як холера. Під час лікування випадків холери під час спалаху в Лондоні в середині 1800-х років Сноу спостерігав закономірність розподілу будинків, де люди отримали хворобу. Будинки справ, як видається, скупчуються навколо певного громадського колодязя. Сніг задавався питанням, чи поширюється холера через питну воду в цьому колодязі. Він намалював будинки з випадками холери на карті (відтворено нижче), а потім показав, що всі ці будинки отримували питну воду з відповідного колодязя. Сніг також робив хімічні та мікроскопічні дослідження води зі свердловини, але не міг остаточно довести, що вона спричиняє холеру. Однак його демонстрація закономірності захворювання у населення виявилася досить переконливою, щоб переконати чиновників закрити колодязь. Вони зняли ручку з насоса на наступний день, дія, яка приписувалася зупинкою спалаху холери

Пізніше було виявлено, що розглянутий колодязь був виритий лише в декількох футах від старої вигрібної ями, яка почала витікати фекалії в колодязну воду. Це припускало, що холера поширюється фекально-оральним шляхом. Однак це пояснення було прийнято не відразу, оскільки це було занадто неприємно для більшості людей, щоб споглядати. Минуло ще кілька років - і додаткові спалахи холери - перш ніж це пояснення поширення захворювання більше не можна було заперечувати. Зрештою, робота Сноу надихнула фундаментальні зміни у системах водопостачання та стічних вод Лондона та інших міст і врешті-решт призвела до значних покращень охорони здоров'я у всьому світі. Внесок Сноу в епідеміологію та охорону здоров'я зараз визнаний численними почестями та пам'ятками його творчості.

Більш недавні внески епідеміології

Більш пізніми піонерами в епідеміології є британські лікарі Річард Долл і Остін Бредфорд Хілл, чиї масштабні спостережні дослідження в середині 1900-х років показали статистично значущі зв'язки між тютюнопалінням і раком легенів. Лялька і Хілл були одними з перших вчених, які використовували епідеміологію для вивчення неінфекційних захворювань. З тих пір епідеміологія була застосована для вивчення безлічі різних захворювань, а епідеміологічні методи з часом стали більш досконалими і суворими. Результати епідеміологічних досліджень продовжують вносити значний внесок у управління охороною здоров'я населення. Результати використовуються для оцінки стану здоров'я та потреб населення, а також для реалізації та оцінки заходів, спрямованих на покращення здоров'я населення.

Рецензія

1. Визначити гомеостаз.
2. Що таке гомеостат?
3. Опишіть гомеостат, який контролює концентрацію глюкози в крові.
4. Що станеться, якщо гомеостат не працює належним чином? Наведемо приклад.
5. Порівняйте і порівняйте інфекційні та неінфекційні захворювання.
6. Порівняйте і порівняйте гострі і хронічні захворювання. Що є прикладом кожного виду захворювання?
7. Визначте та співвідносіть терміни епідемія та пандемія.
8. Що таке ендемічне захворювання?
9. На чому зосереджена епідеміологія? Які застосування епідеміологічних досліджень?
10. Ким був Джон Сноу? Яке значення має його праця в епідеміології?
11. Правда чи брехня. Гострі захворювання завжди менш небезпечні, ніж хронічні.
12. Правда чи брехня. Грип може викликати епідемію або пандемію.
13. Коротко опишіть взаємозв'язок між гомеостазом і хворобою.
14. Чи може інфекційне захворювання бути хронічним захворюванням? Чому чи чому ні?
15. Якби ви були епідеміологом, вивчаючи нове інфекційне захворювання, яке викликає багато людей, які речі ви хотіли б знати, щоб ви могли розрізняти, чи є це ендемікою, пандемією чи епідемією?

Дізнатися більше

https://bio.libretexts.org/link?17745#Explore_More

Атрибуції

1. Гомеостатична регуляція рівня глюкози в крові OpenStax College, CC BY 3.0, через Wikimedia Commons
2. Гіперглікемія персоналу Blausen.com (2014). «Медична галерея Блаузена Медікал 2014». Вікіжурнал медицини 1 (2). Коефіцієнт корисної інформації: 10,15347/кв.м/2014.010. ІСН 2002-436. CC BY 3.0 через Вікісховище
3. Плазмодій слайди CDC/Стівена Гленна, публічне надбання через Вікісховище
4. Джон Сноу, публічне надбання через Вікісховище
5. Карта сніжної холери Джона Сноу, публічне надбання через Wikimedia Commons
6. Текст адаптований з біології людини CK-12 ліцензований CC BY-NC 3.0