Гомеостаз примеры у человека: Гомеостаз простыми словами: ликбез для неврачей

Гомеостаз | это… Что такое Гомеостаз?

Гомеоста́з (др.-греч. ὁμοιοστάσις от ὁμοιος — одинаковый, подобный и στάσις — стояние, неподвижность) — саморегуляция, способность открытой системы сохранять постоянство своего внутреннего состояния посредством скоординированных реакций, направленных на поддержание динамического равновесия. Стремление системы воспроизводить себя, восстанавливать утраченное равновесие, преодолевать сопротивление внешней среды.

Гомеостаз популяции — способность популяции поддерживать определённую численность своих особей длительное время.

Американский физиолог Уолтер Кеннон (Walter B. Cannon) в 1932 году в своей книге «The Wisdom of the Body» («Мудрость тела») предложил этот термин как название для «координированных физиологических процессов, которые поддерживают большинство устойчивых состояний организма». В дальнейшем этот термин распространился на способность динамически сохранять постоянство своего внутреннего состояния любой открытой системы.

Однако представление о постоянстве внутренней среды было сформулировано ещё в 1878 году французским учёным Клодом Бернаром.

Содержание 1 Общие сведения 2 Свойства гомеостаза 3 Механизмы гомеостаза: обратная связь 4 Экологический гомеостаз 5 Биологический гомеостаз 5.1 Клеточный гомеостаз 5.2 Гомеостаз в организме человека 6 Другие сферы 7 Примеры 8 См. также

Общие сведения

Термин «гомеостаз» чаще всего применяется в биологии. Многоклеточным организмам для существования необходимо сохранять постоянство внутренней среды. Многие экологи убеждены, что этот принцип применим также и к внешней среде. Если система неспособна восстановить свой баланс, она может в итоге перестать функционировать.

Комплексные системы — например, организм человека — должны обладать гомеостазом, чтобы сохранять стабильность и существовать. Эти системы не только должны стремиться выжить, им также приходится адаптироваться к изменениям среды и развиваться.

Свойства гомеостаза

Гомеостатические системы обладают следующими свойствами:

• Нестабильность системы: тестирует, каким образом ей лучше приспособиться.
• Стремление к равновесию: вся внутренняя, структурная и функциональная организация систем способствует сохранению баланса.
• Непредсказуемость: результирующий эффект от определённого действия зачастую может отличаться от того, который ожидался.

Примеры гомеостаза у млекопитающих:

• Регуляция количества микронутриентов и воды в теле — осморегуляция. Осуществляется в почках.
• Удаление отходов процесса обмена веществ — выделение. Осуществляется экзокринными органами — почками, лёгкими, потовыми железами и желудочно-кишечным трактом.
• Регуляция температуры тела. Понижение температуры через потоотделение, разнообразные терморегулирующие реакции.
• Регуляция уровня глюкозы в крови. В основном осуществляется печенью, инсулином и глюкагоном, выделяемыми поджелудочной железой.

Важно отметить, что, хотя организм находится в равновесии, его физиологическое состояние может быть динамическим. Во многих организмах наблюдаются эндогенные изменения в форме циркадного, ультрадианного и инфрадианного ритмов. Так, даже находясь в гомеостазе, температура тела, кровяное давление, частота сердечных сокращений и большинство метаболических индикаторов не всегда находятся на постоянном уровне, но изменяются в течение времени.

Механизмы гомеостаза: обратная связь

Основная статья: Обратная связь

Когда происходит изменение в переменных, наблюдаются два основных типа обратной связи, на которые реагирует система:

1. Отрицательная обратная связь, выражающаяся в реакции, при которой система отвечает так, чтобы изменить направление изменения на противоположное. Так как обратная связь служит сохранению постоянства системы, это позволяет соблюдать гомеостаз.
   • Например, когда концентрация углекислого газа в организме человека увеличивается, лёгким приходит сигнал к увеличению их активности и выдыханию большего количество углекислого газа.
   • Терморегуляция — другой пример отрицательной обратной связи. Когда температура тела повышается (или понижается) терморецепторы в коже и гипоталамусе регистрируют изменение, вызывая сигнал из мозга. Данный сигнал, в свою очередь, вызывает ответ — понижение температуры (или повышение).
2. Положительная обратная связь, которая выражается в усилении изменения переменной. Она оказывает дестабилизирующий эффект, поэтому не приводит к гомеостазу. Положительная обратная связь реже встречается в естественных системах, но также имеет своё применение.
   • Например, в нервах пороговый электрический потенциал вызывает генерацию намного большего потенциала действия. Свёртывание крови и события при рождении можно привести в качестве других примеров положительной обратной связи.

Устойчивым системам необходимы комбинации из обоих типов обратной связи. Тогда как отрицательная обратная связь позволяет вернуться к гомеостатическому состоянию, положительная обратная связь используется для перехода к совершенно новому (и, вполне может быть, менее желанному) состоянию гомеостаза, — такая ситуация называется «метастабильность». Такие катастрофические изменения могут происходить, например, с увеличением питательных веществ в реках с прозрачной водой, что приводит к гомеостатическому состоянию высокой эвтрофикации (зарастание русла водорослями) и замутнению.

Экологический гомеостаз

Экологический гомеостаз наблюдается в климаксовых сообществах с максимально возможным биоразнообразием при благоприятных условиях среды.

В нарушенных экосистемах, или субклимаксовых биологических сообществах — как, например, остров Кракатау, после сильного извержения вулкана в 1883 — состояние гомеостаза предыдущей лесной климаксовой экосистемы было уничтожено, как и вся жизнь на этом острове. Кракатау за годы после извержения прошёл цепь экологических изменений, в которых новые виды растений и животных сменяли друг друга, что привело к биологической вариативности и в результате климаксовому сообществу. Экологическая сукцессия на Кракатау осуществилась за несколько этапов. Полная цепь сукцессий, приведшая к климаксу, называется присерией. В примере с Кракатау на этом острове образовалось климаксовое сообщество с восемью тысячами различных видов, зарегистрированных в 1983, спустя сто лет с того времени, как извержение уничтожило на нём жизнь. Данные подтверждают, что положение сохраняется в гомеостазе в течение некоторого времени, при этом появление новых видов очень быстро приводит к быстрому исчезновению старых.

Случай с Кракатау и другими нарушенными или нетронутыми экосистемами показывает, что первоначальная колонизация пионерными видами осуществляется через стратегии воспроизведения, основанные на положительной обратной связи, при которых виды расселяются, производя на свет как можно больше потомства, но при этом практически не вкладываясь в успех каждого отдельного. В таких видах наблюдается стремительное развитие и столь же стремительный крах (например, через эпидемию). Когда экосистема приближается к климаксу, такие виды заменяются более сложными климаксовыми видами, которые через отрицательную обратную связь адаптируются к специфическим условиям окружающей их среды. Эти виды тщательно контролируются потенциальной ёмкостью экосистемы и следуют иной стратегии — произведению на свет меньшего потомства, в репродуктивный успех которого в условиях микросреды его специфической экологической ниши вкладывается больше энергии.

Развитие начинается с пионер-сообщества и заканчивается на климаксовом сообществе. Это климаксовое сообщество образуется, когда флора и фауна пришла в баланс с местной средой.

Подобные экосистемы формируют гетерархии, в которых гомеостаз на одном уровне способствует гомеостатическим процессам на другом комплексном уровне. К примеру, потеря листьев у зрелого тропического дерева даёт место для новой поросли и обогащает почву. В равной степени тропическое дерево уменьшает доступ света на низшие уровни и помогает предотвратить инвазию других видов. Но и деревья падают на землю и развитие леса зависит от постоянной смены деревьев, круговорота питательных веществ, осуществляемого бактериями, насекомыми, грибами. Схожим образом такие леса способствуют экологическим процессам — таким, как регуляция микроклиматов или гидрологических циклов экосистемы, а несколько разных экосистем могут взаимодействовать для поддержания гомеостаза речного дренажа в рамках биологического региона. Вариативность биорегионов так же играет роль в гомеостатической стабильности биологического региона, или биома.

Биологический гомеостаз

Дополнительные сведения: Кислотно-основное равновесие

Гомеостаз выступает в роли фундаментальной характеристики живых организмов и понимается как поддержание внутренней среды в допустимых пределах.

Внутренняя среда организма включает в себя организменные жидкости — плазму крови, лимфу, межклеточное вещество и цереброспинальную жидкость. Сохранение стабильности этих жидкостей жизненно важно для организмов, тогда как её отсутствие приводит к повреждению генетического материала.

В отношении любого параметра организмы делятся на конформационные и регуляторные. Регуляторные организмы сохраняют параметр на постоянном уровне, независимо от того, что происходит в среде. Конформационные организмы позволяют окружающей среде определять параметр. Например, теплокровные животные сохраняют постоянную температуру тела, тогда как холоднокровные демонстрируют широкий диапазон температур.

Речь не идёт о том, что конформационные организмы не обладают поведенческими приспособлениями, позволяющими им в некоторой степени регулировать взятый параметр. Рептилии, к примеру, часто сидят на нагретых камнях утром, чтобы повысить температуру тела.

Преимущество гомеостатической регуляции состоит в том, что она позволяет организму функционировать более эффективно. Например, холоднокровные животные, как правило, становятся вялыми при низких температурах, тогда как теплокровные почти так же активны, как и всегда. С другой стороны, регуляция требует энергии. Причина, почему некоторые змеи могут есть только раз в неделю, состоит в том, что они тратят намного меньше энергии для поддержания гомеостаза, чем млекопитающие.

Клеточный гомеостаз

Регуляция химической деятельности клетки достигается с помощью ряда процессов, среди которых особое значение имеет изменение структуры самой цитоплазмы, а также структуры и активности ферментов. Авторегуляция зависит от температуры, степени кислотности, концентрации субстрата, присутствия некоторых макро- и микроэлементов.

Гомеостаз в организме человека

Дополнительные сведения: Кислотно-основное равновесие

См. также: Буферные системы крови

Разные факторы влияют на способность жидкостей организма поддерживать жизнь. В их числе такие параметры, как температура, солёность, кислотность и концентрация питательных веществ — глюкозы, различных ионов, кислорода, и отходов — углекислого газа и мочи. Так как эти параметры влияют на химические реакции, которые сохраняют организм живым, существуют встроенные физиологические механизмы для поддержания их на необходимом уровне.

Гомеостаз нельзя считать причиной процессов этих бессознательных адаптаций. Его следует воспринимать как общую характеристику многих нормальных процессов, действующих совместно, а не как их первопричину. Более того, существует множество биологических явлений, которые не подходят под эту модель — например, анаболизм.

Другие сферы

Понятие «гомеостаз» используется также и в других сферах.

Актуарий может говорить о рисковом гомеостазе, при котором, к примеру, люди, у которых на машине установлены незаклинивающие тормоза, не находятся в более безопасном положении по сравнению с теми, у кого они не установлены, потому что эти люди бессознательно компенсируют более безопасный автомобиль рискованной ездой. Это происходит потому, что некоторые удерживающие механизмы — например, страх — перестают действовать.

Социологи и психологи могут говорить о стрессовом гомеостазе — стремлении популяции или индивида оставаться на определённом стрессовом уровне, зачастую искусственно вызывая стресс, если «естественного» уровня стресса недостаточно.

Примеры

• Терморегуляция
  • Может начаться дрожание скелетных мышц, если слишком низкая температура тела.
  • Иной вид термогенеза включает расщепление жиров для выделения тепла.
  • Потоотделение охлаждает тело посредством испарения.
• Химическая регуляция
  • Поджелудочная железа секретирует инсулин и глюкагон для контроля уровня глюкозы в крови.
  • Лёгкие получают кислород, выделяют углекислый газ.
  • Почки выделяют мочу и регулируют уровень воды и ряда ионов в организме.

Многие из этих органов контролируются гормонами гипоталамо-гипофизарной системы.

См.

также

Гомеостат Самоорганизация Адаптация (биология) Адаптивная система Синергетика Динамический хаос Кислотно-основное равновесие Буферные системы крови

Внутренняя среда организма Постоянство Равновесие Регуляция Здоровье Гомеостаз (этнология) Устойчивость Автоколебание Системная биология

Гомеостаз экосистемы

Содержание:

• 1 Понятие и история термина и учения
• 2 Основные признаки и обратная связь
• 3 Примеры
• 4 Сочетание с эволюцией биосферы
• 5 Видео – Гомеостаз

Понятие и история термина и учения

Способность единичного организма, в том числе и самого примитивного, и целых биологических систем к саморегулированию при изменении условий существования и под влиянием этих условий называется гомеостаз экосистемы. Системой, в данном случае, можно назвать существование даже примитивного организма, так как для его жизни необходимо соблюдение целого ряда внутренних взаимосвязанных условий: температуры, основных физиологических функций, внутренней среды и так далее.

Термин гомеостаз греческого происхождения и обозначает одинаковое или подобное состояние, неподвижность.

Для открытой системы – это такое качество, обладая которым она реагирует на внешние изменения и влияния, старается их преодолеть и стремится к устойчивости и равновесию.

О постоянстве внутренне среды, говорил еще в 1878 году французский ученый Клод Бернар. Впервые термин возник в книге «Мудрость тела» американского физиолога Уолтера Кеннона в 1932 году. Там этим термином обозначалась координация физиологических процессов для устойчивого состояния организма. Начало учению о гомеостазе экосистемы положил в 1949 году Ф. Клементс. В основу его учения легло утверждение о том, что равновесие в экосистемах достигается при взаимодействии противоположных процессов или обратной связью. Условия окружающей среды непостоянны. При их изменениях происходят перемены и в экосистеме. То есть она динамична. И когда экосистема находит способ реагировать на изменения и приспосабливается к ним, то сама регулирует процессы внутри себя и восстанавливается.

Сложность возникает лишь в случае вмешательства не абиотических факторов, а антропогенных. Когда в биосистемы вмешивается человек, то самостоятельный ее выход из «кризисных» условий, практически невозможен.

Основные признаки и обратная связь

Гомеостаз экосистемы обладает такими основными признаками: выносливость и устойчивость.

Выносливость или живучесть – это способность выдерживать и переносить изменения в окружающей среде, без нарушения основных свойств системы.

Второй признак – устойчивость, упругость, невосприимчивость – это качество, когда система готова быстро возвращаться из критического в нормальное и устойчивое состояние.

Форма проявления гомеостаза у одноклеточных организмов и у более сложных сходны. Сохранение внутренних свойств и процессов, которые отличны от внешних. У простых поддержание физико-химических условий, у других – состава крови и других жидкостей, объема и так далее. В целостной системе или популяции – удержание пространственной структуры, разнообразия генетического и полового, численности, плотности и так далее. Если подняться до уровня биосферы, то тут тоже необходимо поддержание состава и структуры почв, атмосферы, воды.

Проявляться эти признаки биосистемы начинают, когда возникает экологический стресс. То есть изменяется один или сразу несколько внешних факторов и условий существования живого организма. Это могут быть и погодные условия, и деятельность человека. С самого момента их возникновения, они активно и, как правило, негативно начинают влиять на систему. Под их воздействием происходит ответное реагирование системы или обратная связь. Конечно, биосистема не может воздействовать на окружающую среду, ее ответное реагирование заключается в саморегуляции, сбалансированности и согласованности функционирования всех элементов и внутренних процессов.

Однако, впоследствии и сама, приспособившись, может начинать воздействовать на другие, сопутствующие, соседние или сопряженные.

Таким образом, можно говорить еще об одном признаке экосистемы – стабильности. После выведения из привычного состояния, она вновь в него вернется.

Примеры

Наиболее типичным можно назвать пример взаимодействия смежных звеньев пищевой цепи, консументов – «хищника и жертвы». При благоприятных природных условиях, возрастает количество питательной массы. Например, растительной. Небольшая по численности популяция травоядных – «жертва», без труда находит себе пищу. Со временем ее численность начинает расти. «Хищник», которой при низкой численности «жертвы», прилагал большие усилия для поисков пропитания, с ростом числе травоядных, таких затруднений теперь не имеет. Его потомство перестает погибать от недоедания. Конкуренция внутри популяции снижается. Образуются новые пары и появляется дополнительное потомство. Популяции и «хищника» и «жертвы» растут. Это обратная положительная связь.

Рост популяций приводит сначала к недостатку питания у «жертвы», а за этим и у «хищника». Увеличивается конкуренция и обостряется борьба за выживание. Рождаемость падает. Обратная связь становится отрицательной. Система приходит в свое первоначальное состояние, точнее, близкое к нему. Подойдя к исходному уровню, система может начать процесс разрастания. То есть она постоянно в динамике. Как маятник, достигнув равновесия, он продолжает движение от точки покоя. И так постоянно, потому, что окружающая среда никогда не бывает одинаковой.

Иногда уровень воздействия на систему может быть таким, что сопротивляемости и выносливости не хватает. И прежде всего это относится к случаям, когда незначительна популяция какого-либо вида в составе системы. Воздействие может быть таким, что прекращается рост численности и плотности живых организмов. Воспроизведение не дает нужного результата и популяция затухает. Восстановление экосистемы в том виде, какой она была до воздействия, становиться невозможно. Не всегда это ведет к умиранию всей системы, но всегда к существенным изменениям внутри ее. Например, место вымершего вида занимает другой. Он может быть более агрессивным. И тогда воздействие начинается снова, а «разлаженный и некомплектный механизм» с ним на должном уровне бороться уже не может. Так произошло в XX веке в Китае. Когда по решению правительства были уничтожены все воробьи, в связи с чем выросла популяция насекомых. Или Австралия, где были уничтожены хищники, и рост популяции кроликов стал неконтролируемый и причинил существенный ущерб природе.

Совсем иное завершение процесса воздействия на биосистему, если внешнее воздействие осуществляется человеком. В этом случае биосистема редко возвращается в первоначальное состояние, а иногда и вовсе исчезает. Примеров тому масса и нет смысла их перечислять.

Сочетание с эволюцией биосферы

Рассмотренная способность отдельных живых организмов, клеток и целых биологических систем, определенным образом реагировать на изменения и, значит, воздействие окружающей среды не очень сочетается с историей эволюции биосферы.

Начиная с момента возникновения первой жизни, одноклеточные, а затем и более сложные существа, реагировали на изменения окружающей среды иным образом. Именно такое реагирование и дало возможность развиться из клетки без ядра в человека. Если бы происходило приспосабливание, то на Земле по сей день существовали только первые живые организмы. Они бы приспосабливались и приспособились. В чем нас убеждает теория гомеостаза. Если есть приспосабливание, то нет эволюции. А если это не так и миллиарды лет своего существования клетки пытались приспособиться к изменяющейся среде и не смогли, а вымерли. То тогда нет никакой эволюции. Есть смена одних организмов, другими, без признаков какого-либо наследования. Похожесть допускается. Что, в общем-то, и есть. Птицы похожи на динозавров, слон на мамонта, а человек на обезьяну.

Видео – Гомеостаз

Циклы положительной и отрицательной обратной связи: объяснение и примеры

Обратная связь определяется как информация, полученная о реакции на продукт, которая затем позволяет модифицировать продукт. Петли обратной связи — это процесс, в котором изменение системы приводит к срабатыванию сигнализации, которая приводит к определенному результату. Этот результат либо увеличит изменения в системе, либо уменьшит их, чтобы вернуть систему в нормальное состояние. Остается несколько вопросов: как работают эти системы? Что такое положительный отзыв? Что такое отрицательный отзыв? Где мы находим эти системы в природе? В этом посте мы рассмотрим положительные и отрицательные циклы обратной связи с примерами каждого из них.

Что мы анализируем

Петли обратной связи

Биологические системы работают на основе механизма входов и выходов, каждый из которых вызывается определенным событием. Петля обратной связи — это биологическое явление, когда выход системы усиливает систему (положительная обратная связь) или тормозит систему (отрицательная обратная связь). Петли обратной связи важны, потому что они позволяют живым организмам поддерживать гомеостаз . Гомеостаз позволяет нам поддерживать нашу внутреннюю среду относительно постоянной — не слишком жарко или слишком холодно, не слишком голодно или устало. Уровень энергии, необходимый организму для поддержания гомеостаза, зависит от типа организма, а также от среды, в которой он обитает.

Положительная и отрицательная обратная связь у отдельных лиц

Рассмотрим хладнокровную рыбу, которая сохраняет свою температуру на том же уровне, что и вода вокруг нее. Этой рыбе не нужно контролировать внутреннюю температуру. Сравните это с теплокровным китом в той же среде. Ему необходимо поддерживать температуру своего тела выше, чем температура воды вокруг него, поэтому он будет тратить больше энергии на регулирование температуры.

Это разница между эктотермами и эндотермами : экзотерм использует температуру окружающей среды для контроля своей внутренней температуры (например, рептилии, амфибии и рыбы), тогда как эндотерм использует гомеостаз для поддержания своей внутренней температуры. Эндотермы могут поддерживать свой метаболизм с постоянной скоростью, обеспечивая постоянное движение, реакцию и внутренние процессы, тогда как экзотермы не могут поддерживать свой метаболизм с постоянной скоростью. Это означает, что их движение, реакция и внутренние процессы зависят от адекватного внешнего тепла, но это также означает, что им требуется меньше энергии в виде пищи, поскольку их тела не сжигают топливо постоянно.

Петли положительной и отрицательной обратной связи в экосистемах

Петли обратной связи также могут проявляться в большей степени: на уровне экосистемы поддерживается форма гомеостаза. Хорошим примером этого является цикл популяций хищников и жертв: бум популяций жертв будет означать больше пищи для хищников, что приведет к увеличению численности хищников. Затем это приведет к чрезмерному хищничеству, и популяция добычи снова сократится. Популяция хищников в ответ уменьшится, ослабив давление на популяцию добычи и позволив ей прийти в норму.

Другим примером является то, что известно как «эволюционная гонка вооружений», когда хищник и его жертва постоянно пытаются превзойти друг друга. Одним из таких отношений является отношение нектароядных птиц к цветам, которыми они питаются. У птиц развиваются длинные клювы, чтобы получить доступ к нектару внутри цветка. В ответ цветок приобретает все более и более длинную трубчатую форму, пытаясь помешать птице добраться до нектара. Птица отвечает, развивая еще более длинный клюв. И так продолжается.

Источник изображения: Wikimedia Commons

Рисунок 1. Тенденции популяций хищников и жертв.

Петли положительной обратной связи

Петля положительной обратной связи возникает в природе, когда продукт реакции приводит к усилению этой реакции. Если мы посмотрим на систему, находящуюся в гомеостазе, петля положительной обратной связи отдаляет систему от цели равновесия. Он делает это, усиливая эффекты продукта или события, и возникает, когда что-то должно произойти быстро.

Пример 1: Созревание фруктов

В природе существует удивительный эффект, когда дерево или куст внезапно созревают со всеми своими фруктами или овощами без какого-либо видимого сигнала. Это наш первый пример петли положительной биологической обратной связи. Если мы посмотрим на яблоню, на которой много яблок, кажется, что за одну ночь все они переходят от незрелых к спелым, а затем к перезрелым. Это начнется с первого созревшего яблока. После созревания он выделяет через кожу газ, известный как этилен (C ₂ H ₄ ). Под воздействием этого газа созревают и яблоки рядом с ним. После созревания они тоже производят этилен, который продолжает созревать в остальной части дерева, создавая эффект, очень похожий на волну. Эта петля обратной связи часто используется при производстве фруктов, когда яблоки подвергаются воздействию искусственного газа этилена, чтобы ускорить их созревание.

Рисунок 2: Процесс созревания яблок представляет собой петлю положительной обратной связи.

Пример 2: Роды

В начале родов головка ребенка опускается вниз, что приводит к повышенному давлению на шейку матки. Это стимулирует рецепторные клетки посылать химический сигнал в мозг, позволяя высвобождать окситоцин. Этот окситоцин диффундирует к шейке матки через кровь, где он стимулирует дальнейшие сокращения. Эти сокращения стимулируют дальнейший выброс окситоцина, пока ребенок не родится.

Рисунок 3: Схватки во время родов возникают в результате положительной обратной связи.

Пример 3: Свертывание крови

При разрыве или повреждении ткани выделяется химическое вещество. Это химическое вещество вызывает активацию тромбоцитов в крови. Как только эти тромбоциты активируются, они выделяют химическое вещество, которое сигнализирует об активации большего количества тромбоцитов, пока рана не свернется.

Рис. 4. Процесс свертывания крови в ране представляет собой петлю положительной обратной связи.

Петли отрицательной обратной связи

Петля отрицательной обратной связи возникает в биологии, когда продукт реакции приводит к ослаблению этой реакции. Таким образом, петля отрицательной обратной связи приближает систему к цели стабильности или гомеостаза. Петли отрицательной обратной связи отвечают за стабилизацию системы и обеспечивают поддержание устойчивого стабильного состояния. Реакция регулирующего механизма противоположна выходу события.

Пример 1: Регулирование температуры

Регулирование температуры у человека происходит постоянно. Нормальная температура человеческого тела составляет приблизительно 98,6°F. Когда температура тела поднимается выше этого значения, в организме начинают потеть два механизма, и происходит расширение сосудов, что позволяет большей площади поверхности крови подвергаться воздействию более прохладной внешней среды. Когда пот охлаждается, он вызывает испарительное охлаждение, а кровеносные сосуды вызывают конвективное охлаждение. Нормальная температура восстанавливается. Если эти механизмы охлаждения продолжатся, тело станет холодным. Механизмы, которые затем срабатывают, — это образование мурашек по коже и сужение сосудов. Мурашки у других млекопитающих приподнимают волосы или мех, позволяя сохранять больше тепла. У людей они стягивают окружающую кожу, уменьшая (незначительно) площадь поверхности, с которой теряется тепло. Вазоконстрикция гарантирует, что только небольшая площадь поверхности вен подвергается воздействию более низкой температуры наружного воздуха, сохраняя тепло. Нормальная температура восстанавливается.

Рисунок 5: Процесс терморегуляции у человека представляет собой петлю отрицательной обратной связи.

Пример 2: Регуляция кровяного давления (барорефлекс)

Кровяное давление должно оставаться достаточно высоким, чтобы перекачивать кровь во все части тела, но не настолько высоким, чтобы при этом причинить вред. Пока сердце работает, барорецепторы определяют давление крови, проходящей через артерии. Если давление слишком высокое или слишком низкое, химический сигнал отправляется в мозг через языкоглоточный нерв. Затем мозг посылает химический сигнал сердцу, чтобы отрегулировать скорость перекачивания: если кровяное давление низкое, частота сердечных сокращений увеличивается, а если артериальное давление высокое, частота сердечных сокращений уменьшается.

Пример 3: Осморегуляция

Осморегуляция относится к контролю концентрации различных жидкостей в организме для поддержания гомеостаза. Мы снова рассмотрим пример рыбы, живущей в океане. Концентрация соли в воде, окружающей рыбу, намного выше, чем в жидкости, содержащейся в рыбе. Эта вода попадает в рыбу путем диффузии через жабры, при потреблении пищи и при питье. Кроме того, поскольку концентрация соли снаружи выше, чем внутри рыбы, происходит пассивная диффузия соли в рыбу и воды из рыбы. Когда концентрация соли в рыбе слишком высока, ионы соли должны высвобождаться посредством экскреции. Это происходит через кожу и с очень концентрированной мочой. Кроме того, высокие уровни солей в крови удаляются посредством активного транспорта хлорид-секретирующими клетками в жабрах. Таким образом поддерживается правильная концентрация соли.

Рисунок 6: Процесс осморегуляции у морских рыб представляет собой постоянную отрицательную обратную связь.

Положительная и отрицательная обратная связь

Основное различие между положительной и отрицательной обратной связью заключается в их реакции на изменение: положительная обратная связь усиливает изменения, а отрицательная обратная связь уменьшает их. Это означает, что положительная обратная связь приведет к большему количеству продукта: больше яблок, больше сокращений или больше тромбоцитов. Отрицательная обратная связь приведет к меньшему количеству продукта: меньшему количеству тепла, меньшему давлению или меньшему количеству соли. Положительная обратная связь движется от целевой точки, а отрицательная обратная связь движется к цели.

  Почему важна обратная связь?

Без обратной связи гомеостаз невозможен. Это означает, что организм теряет способность к саморегуляции своего организма. Механизмы отрицательной обратной связи более распространены в гомеостазе, но петли положительной обратной связи также важны. Изменения в петлях обратной связи могут привести к различным проблемам, включая сахарный диабет.

Рисунок 7: При нормальном цикле глюкозы повышение уровня глюкозы в крови, определяемое поджелудочной железой, приводит к тому, что бета-клетки поджелудочной железы выделяют инсулин до тех пор, пока не будет достигнут нормальный уровень глюкозы в крови. В то время как при обнаружении низкого уровня глюкозы в крови альфа-клетки поджелудочной железы выделяют глюкагон, чтобы поднять уровень глюкозы в крови до нормального уровня.

При диабете 1 типа бета-клетки не работают. Это означает, что когда уровень глюкозы в крови повышается, выработка инсулина не запускается, и поэтому уровень глюкозы в крови продолжает расти. Это может привести к таким симптомам, как помутнение зрения, потеря веса, гипервентиляция, тошнота и рвота, среди прочих. При диабете 2 типа хронический высокий уровень глюкозы в крови возникает в результате неправильного питания и отсутствия физических упражнений. Это приводит к тому, что клетки больше не распознают инсулин, и поэтому уровень глюкозы в крови продолжает расти.

Завершение циклов положительной и отрицательной обратной связи

Петли обратной связи — это биологические механизмы, посредством которых поддерживается гомеостаз. Это происходит, когда продукт или результат события или реакции изменяет реакцию организма на эту реакцию. Положительная обратная связь возникает, чтобы увеличить изменение или результат: результат реакции усиливается, чтобы он происходил быстрее. Отрицательная обратная связь возникает, чтобы уменьшить изменение или результат: результат реакции уменьшается, чтобы вернуть систему в стабильное состояние. Некоторыми примерами положительной обратной связи являются сокращения при рождении ребенка и созревании плода; примеры отрицательной обратной связи включают регуляцию уровня глюкозы в крови и осморегуляцию.

Ищете практику биологии?

Начните подготовку к биологии вместе с Альбертом. Начните подготовку к экзамену AP® сегодня .

Заинтересованы в школьной лицензии?​

Пригласите Альберта в свою школу и предоставьте всем учителям лучший в мире банк вопросов для:

➜ SAT® и ACT®
➜ AP®
➜ ELA, математика, естественные науки и социальные науки
➜ State Assessments

Варианты для учителей, школы, районы.

ИЗУЧИТЕ ВАРИАНТЫ

Определение и пример I StudySmarter

Гомеостаз — это процесс физиологического контроля, с помощью которого внутренние условия живых организмов поддерживаются в равновесии. Гомеостаз происходит от греческих слов «гомео» (что означает «подобный») и «стазис» (что означает «стоять на месте» или «устойчиво»).

В действительности внутренние условия в человеческом теле никогда не бывают статичными. Вместо этого они всегда стремятся достичь оптимального состояния равновесия. Другими словами, гомеостаз — это состояние динамического равновесия, характеризующееся различной реакцией на изменения внешней и внутренней среды. Эти изменения могут быть внутри или вне клетки, ткани, органа или организма.

Значение гомеостаза

Гомеостаз необходим для функционирования и выживания организмов. Гомеостаз важен для поддержания структуры белков, водного потенциала организма и успешной адаптации температуры тела к изменяющимся внешним условиям.

Поддержание структуры белка

Белки представляют собой многочисленные макромолекулы, необходимые для эффективного функционирования клеток. Однако белки очень чувствительны к изменениям pH и температуры. Любое изменение этих факторов приводит к тому, что белки денатурируют и теряют нативную структуру. Когда нативная структура белка утрачивается, он, вероятно, становится неэффективным или устаревает в своей функции.

Ферменты — это белки, ускоряющие биологические реакции. Структура фермента очень важна для его функции. Ферменты имеют активный центр, комплементарный по структуре их субстрату и позволяющий связывать две молекулы. Даже небольшое изменение pH или температуры изменяет структуру активного центра и может снизить эффективность фермента.

Денатурированные белки менее растворимы и с большей вероятностью образуют нерастворимые агрегаты. Эти агрегаты могут накапливаться внутри или снаружи клетки и вызывать осложнения. Например, необратимая гибель клеток.

Поддержание водного потенциала

Водный потенциал важен как для растительных, так и для животных клеток. Как известно, вода всегда движется из системы с высоким водным потенциалом в систему с низким водным потенциалом.

У растений клетки имеют защищающую их клеточную стенку из целлюлозы. Следовательно, клетки становятся набухшими только тогда, когда вода диффундирует внутрь, и сморщиваются, когда вода покидает их (рис. 1).

Рис. 1. Растительные клетки в гипертонических, изотонических и гипотонических растворах

В противоположность этому, клетки животных не имеют клеточной стенки, поэтому существует риск повреждения клеток при диффузии слишком большого количества воды внутрь или наружу (рис. 2). Поддержание уровня глюкозы в крови в динамическом равновесии необходимо для обеспечения постоянного водного потенциала клеток. Это также гарантирует, что клетки получают достаточное количество глюкозы для дыхания.

Плазмолиз и деплазмолиз является необратимым в клетках животных, в то время как плазмолиз в растительных клетках является обратимым.

Рис. 2 – Эритроциты в гипертонических, изотонических и гипотонических растворах

Адаптация к более широкому географическому диапазону

Способность поддерживать внутреннюю температуру тела на постоянном уровне позволяет животным быть более независимыми от их внешней среда. Поэтому они смогут выжить в более широком разнообразии географических ареалов и в разном климате. Эта особенность позволила млекопитающим заселить большинство мест обитания, от жарких пустынь до ледяных полярных регионов.

Механизмы контроля гомеостаза

Для эффективной работы любого гомеостатического механизма необходимы пять компонентов (рис. 3):

1. Оптимальная точка: оптимальное состояние, при котором система работает лучше всего.
2. Сенсор: рецептор или группа рецепторов, которые будут воспринимать любые изменения или отклонения от желаемого значения.
3. Координатор: центр управления сохраняет значение оптимальной точки и имеет возможность сравнить текущее значение, выдаваемое датчиком, с желаемым.
4. Эффектор: эффекторный орган, часто мышца или секреторная железа, который имеет возможность изменять значение переменной на значение, определенное координатором.
5. Механизм обратной связи: механизм, с помощью которого рецептор реагирует на изменение переменной, поскольку он настраивается на оптимальную точку благодаря действию эффектора. Есть два типа механизмов обратной связи; негативные и позитивные.

Рис. 3 – Петля отрицательной обратной связи и регуляция температуры тела в организме для возврата к гомеостазу

Механизмы отрицательной обратной связи

Отрицательная обратная связь является наиболее распространенным типом обратной связи в живых организмах. При отрицательной обратной связи рецептор обнаруживает необходимость восстановления оптимальной точки. Он передает сигнал в центр управления, который затем отключает эффектор.

Терморегуляция

Примером отрицательной обратной связи является то, как регулируется температура тела у эндотермов, таких как млекопитающие. Им необходимо поддерживать температуру тела на относительно постоянном уровне, несмотря на колебания температуры окружающей среды.

Оптимальная температура тела человека находится в пределах от 36°C до 38°C. У человека есть два разных датчика, которые обнаруживают изменения температуры:

1. Сенсорные клетки кожи обнаруживают внешних изменений температуры.
2. Сенсорные клетки в гипоталамусе, обнаруживающие внутренних изменений температуры .

Эти датчики связаны с гипоталамусом, который является центром контроля температуры тела. Когда сенсорные клетки обнаруживают небольшое отклонение температуры тела от ее оптимального значения, они посылают сигналы в гипоталамус, который затем активирует различные механизмы для восстановления внутренней температуры тела. Эти механизмы включают:

В ответ на холодную внешнюю среду:

1. Вазоконстрикция артериол вблизи кожи. Артериолы «сжимаются», уменьшая диаметр кровеносных сосудов и количество крови, циркулирующей возле кожи. Поскольку потери тепла в окружающую среду меньше, тепло тела сохраняется.
2. Дрожь скелетных мышц. Это производит метаболическое тепло, то есть тепло, которое генерируется при производстве АТФ.
3. Активация мышц, выпрямляющих волосы. это поднятие волос на кожу, создает изолирующий слой воздуха и помогает сохранить тепло тела.
4. Повышение метаболизма и сжигание жира . Это помогает генерировать больше метаболического тепла для повышения внутренней температуры тела.
5. Люди и животные также используют поведенческих механизмов , чтобы избежать потери тепла. Эти механизмы включают в себя поиск укрытия, сбивание в кучу или обнимание коленей, что помогает уменьшить потерю тепла за счет уменьшения отношения объема к поверхности.

В ответ на горячие внешние среды

1. Вазодилатация поверхностных артериол. Это увеличивает приток крови к коже, позволяя большему теплообмену с окружающей средой.
2. Повышенное потоотделение . Этот номер позволяет телу терять тепло, так как с кожи испаряется больше воды.
3. Расслабление мышц, поднимающих волосы. Этот опускает волосы на кожу. В результате изолирующий слой удаляется, позволяя коже терять больше тепла.
4. Поведенческие адаптации , , такие как избегание солнца, пребывание в тени или прыжки в воду!

Регуляция кальция

Уровень кальция в крови также регулируется с помощью механизма отрицательной обратной связи, который требует действия различных гормонов. Одним из важных вовлеченных гормонов является паратиреоидный гормон (ПТГ). Этот гормон высвобождается паращитовидной железой в ответ на низкий уровень кальция в крови.

ПТГ повышает уровень кальция в крови на:

• Увеличение костной резорбции в костях.
• Увеличение всасывания кальция в кишечнике.
• Уменьшение экскреции кальция в почках.

Осморегуляция

Другим примером отрицательной обратной связи является осморегуляция. АДГ (антидиуретический гормон) секретируется в ответ на обезвоживание. АДГ действует на почки и стимулирует задержку воды. Однако по мере гидратации организма высвобождение АДГ подавляется (рис. 3).

Рис. 4. Регулирование уровня воды в организме с помощью отрицательной обратной связи, управляемой антидиуретическим гормоном (АДГ)

Положительная обратная связь

Положительная обратная связь довольно редко встречается в биологических системах. Он включает в себя еще большее отклонение от оптимальной точки после обнаружения небольшого отклонения. Один из примеров положительной обратной связи — во время родов. Сокращение матки стимулирует высвобождение окситоцина, который затем вызывает новые сокращения. Следовательно, это приводит к увеличению как интенсивности, так и частоты схваток во время родов (рис.