33.3: Гомеостаз

Last updated
Save as PDF

Page ID: 1726

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

Навички для розвитку

Визначте гомеостаз
Опишіть фактори, що впливають на гомеостаз
Обговоріть позитивні та негативні механізми зворотного зв'язку, що використовуються при гомеостазі
Охарактеризуйте терморегуляцію ендотермічних та ектотермічних тварин

Органи та системи органів тварин постійно пристосовуються до внутрішніх і зовнішніх змін за допомогою процесу, званого гомеостазом («сталий стан»). Ці зміни можуть бути в рівні глюкози або кальцію в крові або в зовнішніх температурах. Гомеостаз означає підтримувати динамічну рівновагу в організмі. Він динамічний, оскільки постійно пристосовується до змін, з якими стикаються системи організму. Це рівновага, оскільки функції тіла зберігаються в межах певних діапазонів. Навіть тварина, яка, мабуть, неактивна, підтримує цю гомеостатичну рівновагу.

Гомеостатичний процес

Метою гомеостазу є підтримання рівноваги навколо точки або значення, званої заданою точкою. Хоча існують нормальні коливання від заданої точки, системи організму зазвичай намагатимуться повернутися до цієї точки. Зміна внутрішнього або зовнішнього середовища називається подразником і виявляється рецептором; реакцією системи є коригування параметра відхилення в сторону заданої точки. Наприклад, якщо тіло стає занадто теплим, вносяться корективи, щоб охолодити тварину. Якщо глюкоза в крові підвищується після їжі, вносяться корективи для зниження рівня глюкози в крові шляхом потрапляння поживних речовин в тканини, які цього потребують, або для зберігання його для подальшого використання.

Контроль гомеостазу

Коли відбувається зміна навколишнього середовища тварини, необхідно провести коригування. Рецептор відчуває зміну навколишнього середовища, потім посилає сигнал в центр управління (в більшості випадків мозок), який, в свою чергу, генерує відповідь, яка сигналізується на ефектор. Ефектор - це м'яз (який скорочується або розслабляється) або залоза, яка виділяє. Гомеостат підтримується петлями негативного зворотного зв'язку. Позитивні петлі зворотного зв'язку фактично штовхають організм далі з гомеостазу, але можуть бути необхідні для життя. Гомеостаз контролюється нервовою та ендокринною системою ссавців.

Механізми негативного зворотного зв'язку

Будь-гомеостатичний процес, який змінює напрямок подразника, є петлею негативного зворотного зв'язку. Він може або збільшувати, або зменшувати подразник, але стимул не дозволяється продовжувати, як це було до того, як рецептор відчув його. Іншими словами, якщо рівень занадто високий, тіло робить щось, щоб збити його, і навпаки, якщо рівень занадто низький, тіло робить щось, щоб змусити його піднятися. Звідси і термін негативні відгуки. Прикладом може служити підтримання тваринами рівня глюкози в крові. Коли тварина поїла, рівень глюкози в крові підвищується. Це відчувається нервовою системою. Спеціалізовані клітини підшлункової залози відчувають це, і гормон інсулін виділяється ендокринною системою. Інсулін призводить до зниження рівня глюкози в крові, як і слід було очікувати в системі негативного зворотного зв'язку, як показано на малюнку\(\PageIndex{1}\). Однак якщо тварина не їла і рівень глюкози в крові знижується, це відчувається в іншій групі клітин підшлункової залози, і гормон глюкагон виділяється, викликаючи підвищення рівня глюкози. Це все ще петля негативного зворотного зв'язку, але не в ту сторону, яку очікує вживання терміна «негативний». Ще одним прикладом збільшення в результаті петлі зворотного зв'язку є контроль кальцію в крові. Якщо рівень кальцію знижується, спеціалізовані клітини паращитовидної залози відчувають це і вивільняють паратиреоїдний гормон (ПТГ), викликаючи підвищене всмоктування кальцію через кишечник і нирки і, можливо, розпад кістки з метою звільнення кальцію. Ефекти ПТГ полягають у підвищенні рівня в крові елемента. Негативні петлі зворотного зв'язку є переважним механізмом, який використовується в гомеостазі.

Ілюстрація показує реакцію на вживання їжі. При вживанні їжі і перетравленні рівень глюкози в крові підвищується. У відповідь на більш високу концентрацію глюкози підшлункова залоза виділяє інсулін в кров. У відповідь на більш високий рівень інсуліну в крові глюкоза транспортується в багато клітин організму. Клітини печінки зберігають глюкозу у вигляді глікогену. В результаті рівень цукру в крові падає. У відповідь на меншу концентрацію глюкози підшлункова залоза перестає виділяти інсулін. — Малюнок\(\PageIndex{1}\): Рівень цукру в крові контролюється петлею негативного зворотного зв'язку. (Кредит: модифікація роботи Джона Саллівана)

Позитивний зворотний зв'язок

Петля позитивного зворотного зв'язку підтримує напрямок подразника, можливо, прискорюючи його. Мало прикладів позитивних петель зворотного зв'язку існує в тілах тварин, але один зустрічається в каскаді хімічних реакцій, які призводять до згортання крові або згортання крові. Коли активується один фактор згортання, він послідовно активує наступний фактор до досягнення фібринового згустку. Напрямок підтримується, не змінюється, тому це позитивні відгуки. Ще один приклад позитивних відгуків - скорочення матки під час пологів, як показано на малюнку\(\PageIndex{2}\). Гормон окситоцин, вироблений ендокринною системою, стимулює скорочення матки. Це виробляє біль, відчувається нервовою системою. Замість того, щоб знижувати окситоцин і змушувати біль стихати, виробляється більше окситоцину, поки скорочення не стануть достатньо потужними, щоб спричинити пологи.

До народження малюк штовхається на шийку матки, змушуючи її розтягуватися. Розтягування шийки матки викликає направлення нервових імпульсів в мозок. В результаті мозок стимулює гіпофіз до виділення окситоцину. Окситоцин змушує матку скорочуватися. В результаті малюк штовхається на шийку матки в петлі позитивного зворотного зв'язку. — Малюнок\(\PageIndex{2}\): Народження людини немовляти - результат позитивних відгуків.

Вправа

Вкажіть, чи регулюється кожен з наступних процесів циклом позитивного зворотного зв'язку або петлею негативного зворотного зв'язку.

Людина відчуває насичення після вживання великої їжі.
У крові багато еритроцитів. В результаті еритропоетин - гормон, який стимулює вироблення нових еритроцитів, більше не виділяється з нирки.

Відповідь: Обидва процеси є результатом негативних петель зворотного зв'язку. Негативні петлі зворотного зв'язку, які, як правило, утримують систему в рівновазі, зустрічаються частіше, ніж петлі позитивного зворотного зв'язку.

Встановити точку

Є можливість регулювати задану точку системи. Коли це відбувається, цикл зворотного зв'язку працює для підтримки нової настройки. Прикладом цього є артеріальний тиск: з часом нормальне або задане значення артеріального тиску може збільшуватися в результаті тривалих підвищень артеріального тиску. Тіло більше не визнає піднесення як ненормальне і не робиться спроб повернутися до нижньої заданої точки. Результатом є підтримка підвищеного артеріального тиску, здатного надавати шкідливий вплив на організм. Медикаменти можуть знизити артеріальний тиск і знизити задану точку в системі до більш здорового рівня. Це називається процесом зміни заданої точки в петлі зворотного зв'язку.

Зміни можуть бути внесені в групу систем органів організму, щоб підтримувати задану точку в іншій системі. Це називається акліматизацією. Це відбувається, наприклад, коли тварина мігрує на більшу висоту, ніж вона звикла. Для того, щоб пристосуватися до нижчих рівнів кисню на новій висоті, організм збільшує кількість еритроцитів, що циркулюють у крові, щоб забезпечити адекватну доставку кисню до тканин. Іншим прикладом акліматизації є тварини, які мають сезонні зміни в шерсті: більш важка шерсть взимку забезпечує адекватне збереження тепла, а легка шерсть влітку допомагає підтримувати температуру тіла від підвищення до шкідливого рівня.

Посилання на навчання

Відгуки механізмів можна зрозуміти в плані водіння гоночного автомобіля по трасі: подивіться короткий відео-урок про позитивні і негативні петлі зворотного зв'язку.

Гомеостаз: терморегуляція

Температура тіла впливає на діяльність організму. Як правило, при підвищенні температури тіла активність ферментів підвищується, а також. За кожні десять градусів за Цельсієм підвищення температури активність ферментів подвоюється, аж до точки. Білки організму, включаючи ферменти, починають денатурувати і втрачають свою функцію при високій температурі (близько 50 ^о С для ссавців). Активність ферментів зменшиться вдвічі за кожні десять градусів за Цельсієм падіння температури, до точки замерзання, за кількома винятками. Деякі риби витримують тверді заморожування і повертаються в норму при відтаванні.

Посилання на навчання

Перегляньте це відео Discovery Channel про терморегуляцію, щоб побачити ілюстрації цього процесу у різних тварин.

Ендотерми та ектотерми

Тварин можна розділити на дві групи: деякі підтримують постійну температуру тіла в умовах різних температур навколишнього середовища, тоді як інші мають температуру тіла, таку ж, як і їх навколишнє середовище, і, таким чином, змінюється залежно від навколишнього середовища. Тварини, які не контролюють температуру тіла, є ектотермами. Ця група отримала назву холоднокровних, але термін може не стосуватися тварини в пустелі з дуже теплою температурою тіла. На відміну від ектотерм, які покладаються на зовнішні температури для встановлення температури тіла, пойкілотерми - це тварини з постійно мінливою внутрішньою температурою. Тварина, яка підтримує постійну температуру тіла в умовах змін навколишнього середовища, називається гомеотермом. Ендотерми - це тварини, які покладаються на внутрішні джерела температури тіла, але які можуть проявляти екстремальні температури. Ці тварини здатні підтримувати рівень активності при більш прохолодній температурі, яку ектотерма не може через різні рівні активності ферментів.

Тепло може обмінюватися між твариною та її середовищем за допомогою чотирьох механізмів: випромінювання, випаровування, конвекції та провідності (рис.\(\PageIndex{3}\)). Випромінювання - це випромінювання електромагнітних «теплових» хвиль. Тепло надходить від сонця таким чином і випромінюється від сухої шкіри таким же чином. Тепло можна видаляти рідиною з поверхні під час випаровування. Це відбувається, коли ссавець потіє. Конвекційні потоки повітря відводять тепло з поверхні сухої шкіри в міру проходження повітря над нею. Тепло буде проводитися від однієї поверхні до іншої під час безпосереднього контакту з поверхнями, наприклад, твариною, що відпочиває на теплій скелі.

Фото А показує сонце. На фото Б зображена спітніла людина. На фото C зображений лев з гривою, що дме на вітрі. Фото D показує, що людина тримає на пару гарячий напій. — Малюнок\(\PageIndex{3}\): Тепло може обмінюватися чотирма механізмами: (а) випромінювання, (б) випаровування, (в) конвекція або (г) провідність. (Кредит б: модифікація роботи «Kullez» /Flickr; кредит c: модифікація роботи Чада Розенталя; кредит d: модифікація роботи «stacey.d» /Flickr)

Збереження та розсіювання тепла

Тварини зберігають або розсіюють тепло різними способами. У певному кліматі ендотермічні тварини мають певну форму ізоляції, наприклад, хутро, жир, пір'я або деяку їх комбінацію. Тварини з густим хутром або пір'ям створюють ізолюючий шар повітря між їх шкірою і внутрішніми органами. Білі ведмеді і тюлені живуть і плавають в умовах перемерзання і при цьому підтримують постійну, теплу температуру тіла. Наприклад, песець використовує свій пухнастий хвіст як додаткову ізоляцію, коли він згортається, щоб спати в холодну погоду. Ссавці мають залишковий ефект від тремтіння та підвищеної м'язової активності: м'язи арректора пілі викликають «мурашки по шкірі», змушуючи дрібні волоски вставати, коли індивід холодний; це має намічений ефект підвищення температури тіла. Ссавці використовують шари жиру для досягнення того ж кінця. Втрата значної кількості жиру в організмі порушить здатність людини зберігати тепло.

Ендотерми використовують свої кровоносні системи, щоб допомогти підтримувати температуру тіла. Вазодилатація приносить більше крові і тепла до поверхні тіла, полегшуючи радіацію і випаровувальні втрати тепла, що сприяє охолодженню тіла. Звуження судин зменшує приплив крові в периферичних кровоносних судибах, примушуючи кров до ядра і життєво важливих органів, знайдених там, і зберігаючи тепло. Деякі тварини мають пристосування до їх кровоносної системи, які дозволяють їм передавати тепло від артерій до вен, зігріваючи кров, повертаючись до серця. Це називається протитечічним теплообміном; він перешкоджає холодній венозній крові охолоджувати серце та інші внутрішні органи. Ця адаптація може бути вимкнена у деяких тварин, щоб запобігти перегріванню внутрішніх органів. Протитокова адаптація зустрічається у багатьох тварин, включаючи дельфінів, акул, кістлявих риб, бджіл та колібрі. На відміну від цього, подібні пристосування можуть допомогти охолоджувати ендотерми, коли це необхідно, наприклад, дельфінові сосальщики та вуха слона.

Деякі ектотермічні тварини використовують зміни у своїй поведінці, щоб допомогти регулювати температуру тіла. Наприклад, пустельна ектотермічна тварина може просто шукати прохолодніші райони під час найспекотнішої частини дня в пустелі, щоб уникнути занадто тепла. Ті ж тварини можуть піднятися на скелі, щоб захопити тепло під час холодної пустельної ночі. Деякі тварини шукають воду, щоб допомогти випаровуванню при охолодженні їх, як це видно з рептиліями. Інші ектотерми використовують групову активність, таку як активність бджіл, щоб зігріти вулик, щоб пережити зиму.

Багато тварин, особливо ссавці, використовують метаболічне відпрацьоване тепло як джерело тепла. Коли м'язи скорочуються, більша частина енергії від АТФ, що використовується в м'язових діях, витрачається даремно енергія, яка перетворюється на тепло. Сильний холод викликає тремтячий рефлекс, який генерує тепло для тіла. Багато видів також мають тип жирової тканини під назвою коричневий жир, який спеціалізується на виробленні тепла.

Нейронний контроль терморегуляції

Нервова система важлива для терморегуляції, як показано на малюнку\(\PageIndex{4}\). Процеси гомеостазу і контролю температури зосереджені в гіпоталамусі просунутого мозку тварини.

Блок-схема показує, як підтримується нормальна температура тіла. Якщо температура тіла підвищується, кровоносні судини розширюються, що призводить до втрати тепла навколишньому середовищу. Потові залози виділяють рідину. У міру випаровування цієї рідини тепло втрачається з організму. В результаті температура тіла падає до нормальної температури тіла. Якщо температура тіла падає, кровоносні судини звужуються так, що тепло зберігається. Потові залози не виділяють рідину. Тремтіння (мимовільне скорочення м'язів) виділяє тепло, яке зігріває тіло. Тепло утримується, а температура тіла підвищується до норми. — Малюнок\(\PageIndex{4}\): Організм здатний регулювати температуру у відповідь на сигнали з боку нервової системи.

Вправа

При знищенні бактерій лейкоцитами в кров виділяються пірогени. Пірогени скидають термостат організму на більш високу температуру, в результаті чого виникає лихоманка. Як пірогени можуть викликати підвищення температури тіла?

Відповідь: Пірогени підвищують температуру тіла, змушуючи кровоносні судини звужуватися, викликаючи тремтіння та зупиняючи потові залози від виділення рідини.

Гіпоталамус підтримує задану температуру тіла через рефлекси, які викликають розширення судин і потовиділення, коли тіло занадто тепле, або звуження судин і тремтіння, коли тіло занадто холодне. Він реагує на хімічні речовини з організму. Коли бактерія руйнується фагоцитарними лейкоцитами, в кров виділяються хімічні речовини, звані ендогенними пірогенами. Ці пірогени циркулюють до гіпоталамусу і скидають термостат. Це дозволяє температурі тіла підвищуватися в тому, що прийнято називати лихоманкою. Підвищення температури тіла призводить до збереження заліза, що зменшує поживні речовини, необхідні бактеріям. Збільшення тепла тіла також збільшує активність ферментів тварин і захисних клітин, одночасно пригнічуючи ферменти і активність вторглися мікроорганізмів. Нарешті, саме тепло також може вбити збудника. Лихоманка, яка колись вважалася ускладненням інфекції, тепер розуміється як нормальний захисний механізм.

Резюме

Гомеостаз - це динамічна рівновага, яка підтримується в тканині і органах організму. Він динамічний, оскільки постійно пристосовується до змін, з якими стикаються системи. Він знаходиться в рівновазі, оскільки функції тіла зберігаються в межах норми, з деякими коливаннями навколо заданої точки для процесів.

Глосарій

акліматизація: зміни в системі організму у відповідь на зміну навколишнього середовища

переробка: зміна уставки в гомеостатичній системі

гомеостаз: динамічна рівновага, підтримуючи відповідні функції організму

петля негативного зворотного зв'язку: зворотний зв'язок до механізму управління, який збільшує або зменшує стимул замість його підтримки

позитивний зворотний зв'язок: зворотний зв'язок до механізму управління, який продовжує напрямок стимулу

встановлена точка: середня або цільова точка в гомеостазі

терморегуляції: регулювання температури тіла