1.3: Гомеостаз

Цілі навчання

• Наведіть загальний опис і деякі приклади гомеостазу

Щоб правильно функціонувати, клітинам потрібні відповідні умови, такі як належна температура, рН та відповідна концентрація різноманітних хімічних речовин. Однак ці умови можуть змінюватися від одного моменту до іншого. Організми здатні підтримувати внутрішні умови у вузькому діапазоні практично постійно, незважаючи на зміни навколишнього середовища, за допомогою гомеостазу (дослівно, «стійкий стан»). Наприклад, організму необхідно регулювати температуру тіла за допомогою процесу терморегуляції. Організми, які живуть у холодному кліматі, такі як білий ведмідь, мають структури тіла, які допомагають їм витримувати низькі температури та зберігати тепло тіла. Структури, які допомагають у цьому типі ізоляції, включають хутро, пір'я, гумбу та жир. У жаркому кліматі організми мають методи (такі як потовиділення у людей або задишка у собак), які допомагають їм пролити надлишкове тепло тіла.

Гомеостаз відноситься до відносно стабільного стану всередині організму тварини. Органи і системи органів тварин постійно пристосовуються до внутрішніх і зовнішніх змін, щоб підтримувати цей стійкий стан. Прикладами внутрішніх умов, що підтримуються гомеостатично, є рівень глюкози в крові, температура тіла, рівень кальцію в крові. Ці умови залишаються стабільними через фізіологічних процесів, що призводять до негативних взаємозв'язків зворотного зв'язку. Якщо підвищується рівень глюкози або кальцію в крові, це посилає сигнал органам, відповідальним за зниження рівня глюкози або кальцію в крові. Сигнали, що відновлюють нормальний рівень, є прикладами негативного зворотного зв'язку. Коли гомеостатичні механізми виходять з ладу, результати можуть бути несприятливими для тварини. Гомеостатичні механізми утримують організм в динамічній рівновазі, постійно підлаштовуючись під зміни, з якими стикаються системи організму. Навіть тварина, яка, мабуть, неактивна, підтримує цю гомеостатичну рівновагу. Два приклади факторів, які регулюються гомеостатично, - це температура і вміст води. Процеси, що підтримують гомеостаз цих двох факторів, називаються терморегуляцією і осморегуляцією.

Гомеостаз

Метою гомеостазу є підтримання рівноваги навколо певного значення якогось аспекту організму або його клітин, що називається 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; реакція системи полягає в коригуванні діяльності системи, щоб значення рухалося назад до заданої точки. Наприклад, якщо тіло стає занадто теплим, вносяться корективи, щоб охолодити тварину. Якщо рівень глюкози в крові підвищується після їжі, вносяться корективи, щоб знизити їх і отримати поживну речовину в тканини, які цього потребують, або для зберігання його для подальшого використання.

Коли відбувається зміна середовища тварини, необхідно провести коригування, щоб внутрішнє середовище організму та клітин залишалося стабільним. Рецептор, який відчуває зміну навколишнього середовища, є частиною механізму зворотного зв'язку. Стимули - температура, рівень глюкози або кальцію - виявляються рецептором. Рецептор посилає інформацію в центр управління, часто мозок, який ретранслює відповідні сигнали до ефекторного органу, який здатний викликати відповідні зміни, або вгору, або вниз, залежно від інформації, яку передавав датчик.

Терморегуляція

Тварин можна розділити на дві групи: ті, які підтримують постійну температуру тіла в умовах різних температур навколишнього середовища, і ті, які мають температуру тіла, таку ж, як і їх навколишнє середовище, і, таким чином, змінюється залежно від температури навколишнього середовища. Тварин, які не мають внутрішнього контролю температури тіла, називають ектотермами. Температура тіла цих організмів, як правило, схожа на температуру навколишнього середовища, хоча окремі організми можуть робити речі, які тримають їх тіла трохи нижче або вище температури навколишнього середовища. Сюди можна віднести заривання під землею в спекотний день або відпочинок на сонячному світлі в холодний день. Ектотерми називали холоднокровними, термін, який може не застосовуватися до тварини в пустелі з дуже теплою температурою тіла.

Тварина, яка підтримує постійну температуру тіла в умовах змін навколишнього середовища, називається ендотермою. Ці тварини здатні підтримувати рівень активності, який ектотермічна тварина не може, оскільки вони виробляють внутрішнє тепло, яке підтримує їх клітинні процеси оптимально працювати навіть тоді, коли навколишнє середовище холодне.

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

Тварини зберігають або розсіюють тепло різними способами. Ендотермічні тварини мають певну форму ізоляції. У них хутро, жир або пір'я. 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 можуть збільшити вироблення тепла тіла тремтінням, що є мимовільним збільшенням м'язової активності. Крім того, м'язи арректора pili можуть скорочуватися, викликаючи окремі волоски, щоб встати, коли людина холодна. Це підвищує ізолюючий ефект волосся. Люди зберігають цю реакцію, яка не має наміченого впливу на наші відносно безволосі тіла; замість цього вона викликає «мурашки». Ссавці також використовують шари жиру як ізоляцію. Втрата значної кількості жиру в організмі порушить здатність людини зберігати тепло.

Ектотерми та ендотерми використовують свої кровоносні системи, щоб допомогти підтримувати температуру тіла. Вазодилатація, відкриття артерій до шкіри шляхом розслаблення їх гладкої мускулатури, приносить більше крові та тепла до поверхні тіла, полегшуючи радіаційні та випарні втрати тепла, охолоджуючи тіло. Звуження судин, звуження кровоносних судин до шкіри шляхом скорочення їх гладкої мускулатури, зменшує кровотік в периферичних кровоносних судибах, примушуючи кров до ядра і життєво важливих органів, зберігаючи тепло. Деякі тварини мають пристосування до їх кровоносної системи, які дозволяють їм передавати тепло від артерій до вен, які протікають поруч, зігріваючи кров, повертаючись до серця. Це називається протитечічним теплообміном; він перешкоджає холодній венозній крові охолоджувати серце та інші внутрішні органи. Протитокова адаптація зустрічається у дельфінів, акул, кістлявих риб, бджіл, колібрі.

Деякі ектотермічні тварини використовують зміни у своїй поведінці, щоб допомогти регулювати температуру тіла. Вони просто шукають прохолодніші райони під час найспекотнішої частини дня в пустелі, щоб уникнути занадто тепла. Ті ж тварини можуть піднятися на скелі ввечері, щоб захопити тепло в холодну пустельну ніч, перш ніж увійти в свої нори.

Терморегуляція координується нервовою системою (рис. 1.2). Процеси контролю температури зосереджені в гіпоталамусі просунутого мозку тварини. Гіпоталамус підтримує задану температуру тіла через рефлекси, які викликають розширення судин або звуження судин і тремтіння або потовиділення. Симпатична нервова система під контролем гіпоталамуса направляє реакції, які впливають на зміни втрати температури або посилення, які повертають організм до заданої точки. Задана точка може бути скоригована в деяких випадках. Під час інфекції виробляються сполуки, звані пірогенами, і циркулюють в гіпоталамус, скидаючи термостат на більш високе значення. Це дозволяє температурі тіла підвищуватися до нової точки гомеостатичної рівноваги в тому, що зазвичай називають лихоманкою. Збільшення тепла тіла робить організм менш оптимальним для росту бактерій і збільшує активність клітин, тому вони краще здатні боротися з інфекцією.

Малюнок 1.2 Організм здатний регулювати температуру у відповідь на сигнали з боку нервової системи.

Вправа\(\PageIndex{1}\)

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

Вправа\(\PageIndex{2}\)

Що таке гомеостаз?

Вправа\(\PageIndex{3}\)

Опишіть терморегуляторний гомеостатичний контур.

Вправа\(\PageIndex{4}\)

Опишіть осморегуляторний гомеостатичний контур.

Приклади підтримки гомеостазу через негативні відгуки

Негативний зворотний зв'язок - це механізм, який змінює відхилення від заданої точки. Тому негативний зворотний зв'язок підтримує параметри тіла в межах їх норми. Підтримка гомеостазу негативним зворотним зв'язком відбувається по всьому тілу в усі часи, і розуміння негативного зворотного зв'язку, таким чином, є основоположним для розуміння фізіології людини. Система негативного зворотного зв'язку має три основні складові (рис. 1.3а). Датчик, який також називають рецептором, є компонентом системи зворотного зв'язку, яка контролює фізіологічну цінність. Це значення повідомляється в центр управління. Центр управління - це компонент в системі зворотного зв'язку, який порівнює значення з нормальним діапазоном. Якщо значення занадто сильно відхиляється від заданої точки, то центр управління активує ефектор. Ефектор - це компонент в системі зворотного зв'язку, який викликає зміну, щоб змінити ситуацію та повернути значення до нормального діапазону.

Малюнок 1.3. Петля негативного зворотного зв'язку. У циклі негативного зворотного зв'язку стимул - відхилення від заданої точки - протистоїть фізіологічному процесу, який повертає організм до гомеостазу. (a) Петля негативного зворотного зв'язку має чотири основні частини. (б) Температура тіла регулюється негативним зворотним зв'язком.

Для того, щоб привести систему в рух, подразник повинен виводити фізіологічний параметр за межі свого нормального діапазону (тобто поза гомеостазом). Цей подразник «чути» конкретний датчик. Наприклад, при контролі рівня глюкози в крові специфічні ендокринні клітини підшлункової залози виявляють надлишок глюкози (подразника) в кровотоці. Ці бета-клітини підшлункової залози реагують на підвищений рівень глюкози в крові шляхом вивільнення гормону інсуліну в кров. Інсулін сигналізує скелетним м'язовим волокнам, жировим клітинам (адипоцитам) і клітинам печінки забрати надлишок глюкози, виводячи її з кровотоку. Коли концентрація глюкози в крові падає, зниження концентрації - фактичного негативного зворотного зв'язку - виявляється альфа-клітинами підшлункової залози, і вивільнення інсуліну припиняється. Це запобігає зниженню рівня цукру в крові нижче норми.

Люди мають подібну систему зворотного зв'язку з регулюванням температури, яка працює, сприяючи або втратам тепла, або теплові приріст (рис. 1.3b). Коли центр регулювання температури мозку отримує дані від датчиків, які вказують на те, що температура тіла перевищує його нормальний діапазон, він стимулює скупчення клітин мозку, які називають «центром втрати тепла». Ця стимуляція має три основні ефекти:

• Кровоносні судини в шкірі починають розширюватися, дозволяючи більше крові з ядра тіла надходити на поверхню шкіри, дозволяючи тепла випромінювати в навколишнє середовище.
• У міру збільшення припливу крові до шкіри потові залози активізуються для збільшення їх виходу. Оскільки піт випаровується з поверхні шкіри в навколишнє повітря, він забирає з собою тепло.
• Глибина дихання збільшується, і людина може дихати через відкритий рот, а не через носові проходи. Це ще більше збільшує втрати тепла з легенів.

На відміну від цього, активація центру тепловиділення мозку під впливом холоду зменшує приплив крові до шкіри, а кров, що повертається з кінцівок, відводиться в мережу глибоких вен. Таке розташування затримує тепло ближче до серцевини тіла і обмежує втрати тепла. Якщо втрати тепла серйозні, мозок запускає збільшення випадкових сигналів до скелетних м'язів, змушуючи їх скорочуватися і виробляти тремтіння. М'язові скорочення тремтіння виділяють тепло під час використання АТФ. Мозок запускає щитовидну залозу в ендокринній системі, щоб вивільнити гормон щитовидної залози, що збільшує метаболічну активність і вироблення тепла в клітині по всьому тілу. Мозок також сигналізує наднирковим залозам вивільнити адреналін (адреналін) - гормон, який викликає розпад глікогену на глюкозу, який можна використовувати як джерело енергії. Розпад глікогену на глюкозу також призводить до посилення обміну речовин і вироблення тепла.

Перегляньте це відео, щоб дізнатися більше про концентрацію води в організмі.

Концентрація води в організмі має вирішальне значення для правильного функціонування. Тіло людини зберігає дуже жорсткий контроль над рівнем води без свідомого контролю з боку людини. Який орган має первинний контроль над кількістю води в організмі?

Приклади підтримки гомеостазу через негативні відгуки

Позитивний зворотний зв'язок посилює зміну фізіологічного стану організму, а не повертає його назад. Відхилення від нормального діапазону призводить до більших змін, і система відходить далі від нормального діапазону. Позитивні відгуки в організмі є нормальними тільки тоді, коли є певна кінцева точка. Пологи та реакція організму на крововтрату - це два приклади позитивних петель зворотного зв'язку, які є нормальними, але активуються лише при необхідності.

Пологи на повному терміні - приклад ситуації, при якій підтримка існуючого стану організму не бажана. Величезні зміни в організмі матері потрібні для вигнання малюка в кінці вагітності. І події пологів, як тільки почалися, повинні швидко прогресувати до завершення або життя матері і дитини знаходяться під загрозою. Крайня м'язова робота пологів і пологів є результатом позитивної системи зворотного зв'язку (рис. 1.4).

Малюнок 1.4. Петля позитивного зворотного зв'язку. Нормальні пологи рухаються петлею позитивного зворотного зв'язку. Позитивна петля зворотного зв'язку призводить до зміни стану організму, а не повернення до гомеостазу.

Перші скорочення пологів (подразник) штовхають малюка в бік шийки матки (найнижча частина матки). Шийка матки містить чутливі до розтягування нервові клітини, які стежать за ступенем розтягування (датчики). Ці нервові клітини посилають повідомлення в мозок, що, в свою чергу, змушує гіпофіз біля основи мозку вивільняти гормон окситоцин у кров. Окситоцин викликає більш сильні скорочення гладкої мускулатури в матці (ефектори), штовхаючи дитину далі по родових шляхах. Це викликає ще більше розтягнення шийки матки. Цикл розтягування, виділення окситоцину і все більш сильних скорочень припиняється тільки тоді, коли дитина народжується. У цей момент розтягнення шийки матки припиняється, припиняючи виділення окситоцину.

Другий приклад позитивного зворотного зв'язку зосереджується на зворотному екстремальному пошкодженні організму. Слідом за проникаючим пораненням найбільш безпосередня загроза - надмірна крововтрата. Менше циркулює кров означає зниження артеріального тиску і зниження перфузії (проникнення крові) в мозок і інші життєво важливі органи. Якщо перфузія сильно знижена, життєво важливі органи закриються і людина помре. Організм реагує на цю потенційну катастрофу виділенням речовин в пошкодженій стінці кровоносної судини, які починають процес згортання крові. У міру того, як відбувається кожен етап згортання, він стимулює виділення більшої кількості згортають речовин. Це прискорює процеси згортання і герметизації пошкодженої ділянки. Згортання міститься в локальній зоні на основі жорстко контрольованої доступності білків згортання. Це адаптивний, рятувальний каскад подій.

Вправа\(\PageIndex{5}\)

Після того, як ви їсте обід, нервові клітини в шлунку реагують на здуття (подразник), що виникає в результаті їжі. Вони передають цю інформацію на ________.
a. центр управління
б. задана точка
c. ефектори
d. сенсорні

Вправа\(\PageIndex{6}\)

Стимуляція центру тепловтрат викликає ________.
a. кровоносні судини в шкірі, щоб
звужувати б. дихання, щоб стати повільним і неглибоким
c. потових залоз збільшити їх вихід
d Все вищезазначене

Вправа\(\PageIndex{7}\)

Що з наведених нижче є прикладом нормального фізіологічного процесу, який використовує петлю позитивного зворотного зв'язку?
a. регуляція артеріального тиску

b. пологи c. регулювання балансу рідини
d. регулювання температури

Вправа\(\PageIndex{8}\)

Визначте чотири компоненти петлі негативного зворотного зв'язку та поясніть, що станеться, якщо секреція хімічної речовини організму, контрольованої системою негативного зворотного зв'язку, стала занадто великою.

Вправа\(\PageIndex{9}\)

Які регуляторні процеси використовували б ваше тіло, якби ви потрапили в пастку хуртовини в неопалюваному, неізольованому салоні в лісі?